Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor-Foguete com Refrigeração Regenerativa

1. Simulação Numérica de Escoamento Reativo em Motor-Foguete com Refrigeração Regenerativa Carlos Henrique Marchi (UFPR, gerente do projeto) Luciano Kiyoshi Araki (UFPR) Fernando Laroca Márcio Augusto Villela Pinto (UEPG) Fábio Alencar Schneider (UNICENP)

2. Introdução • Foguetes a propelente líquido são o principal sistema de propulsão espacial. • Um dos pares propelentes utilizado é o sistema LOX/LH2. • A técnica mais utilizada para refrigerar motores-foguetes a propelente líquido de alta pressão é a regenerativa.

3. Objetivos • Implementação de códigos computacionais para resolver escoamento reativos em motores-foguetes, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH2.

4. Objetivos • Avaliação dos efeitos sobre o empuxo, a temperatura máxima e a queda de pressão de refrigerante causados por: • geometria da tubeira; • pressão de combustão; • propriedades termofísicas e de transporte constantes ou variáveis; • radiação térmica; • modelos unidimensionais e bidimensionais; • fluido invíscido, viscoso laminar e turbulento; • número de reações químicas • condição de contorno na superfície da parede dos gases quentes; • número de nós das malhas usadas.

5. Problema Divisão do problema em três subproblemas: • Câmara-Tubeira: Escoamento reativo, turbulento de gases num motor-foguete. • Paredes: Condução de calor através das mesmas entre os gases de combustão e o fluido refrigerante. • Canais: Escoamento turbulento do fluido refrigerante nos canais ao redor da tubeira.

6. Figura 1: Motor-foguete bipropelente com refrigeração regenerativa. Fonte: Marchi et al., Solução Numérica de Escoamentos em Motor-Foguete com Refrigeração Regenerativa, XXI Cilamce.

7. Metodologia • Volumes Finitos. • Funções de interpolação de segunda ordem, co-localizado. • Técnica multimalhas (multigrid). • Modelos de turbulência para baixo Reynolds (k- para baixo Reynolds).

8. Metodologia • Estudo do escoamento 1D, reativo: Escoamento quase-unidimensional subsônico a supersônico, compressível, com taxa finita de reação. • Estudo do escoamento 2D, monoespécie: Escoamento bidimensional, não-reativo, para estudo de efeitos viscosos. • Estudo do escoamento 2D reativo: Escoamento bidimensional completo.

9. Metodologia • Estudo do escoamento 1D, reativo: • Etapa 1a: Escoamento unidimensional subsônico a supersônico, em bocal convergente-divergente, congelado, reativo em equilíbrio químico e reativo com taxa finita de reação para o propelente LOX/LH2, de gás compressível viscoso, multiespécie, com troca de calor (código RHG1D).

10. Metodologia • Estudo do escoamento 1D, reativo: • Etapa 1b: Incluir um solver multimalhas geométrico ao código RHG1D, versão 3.0, gerando a versão 4.0, de modo a ser possível a obtenção de soluções numéricas em malhas extremamente refinadas para estimativas confiáveis do erro numérico das variáveis de interesse.

11. Metodologia • Estudo do escoamento 2D, monoespécie: • Etapa 2a: Geração do código MACH2D, versão 5.0, com as seguintes inclusões à versão 4.0: aproximações numéricas de 2ª ordem de acurácia, “solver” multimalhas geométrico e acoplamento aos códigos que resolvem os problemas unidimensionais das paredes e canais. • Etapa 2b: Inclusão do modelo de turbulência k-ε de baixo Reynolds ao código MACH2D, versão 5.0, gerando a versão 6.0.

12. Metodologia • Estudo do escoamento 2D reativo: • Etapa 3a: Geração do código RHG2D, versão 1.0, com a inclusão de escoamento multiespécie congelado para o propelente LOX/LH2 ao código MACH2D, versão 6.0. • Etapa 3b: Geração da versão 2.0 do código RHG2D, com a inclusão de escoamento reativo em equilíbrio químico para o propelente LOX/LH2 à versão 1.0. • Etapa 3c: Inclusão de escoamento reativo com taxa finita de reação para o propelente LOX/LH2 ao código RHG2D, versão 2.0, gerando a versão 3.0.

13. Cronograma

14. Resultados Esperados • Disponibilizar através da internet, gratuitamente aos interessados, bem como à AEB, ao INPE e ao CTA, os códigos fonte e executáveis de todos os códigos computacionais implementados; • Ter publicado ou submetido para publicação ao menos 3 artigos em revistas científicas internacionais para divulgar a pesquisa realizada; • Editar relatórios técnicos descrevendo em detalhes a pesquisa realizada;

15. Resultados Esperados • Aumentar a complexidade dos problemas possíveis de serem resolvidos pelo grupo de pesquisa; • Possibilitar a 3 doutorandos uma aplicação relevante para suas teses; • Aumentar a capacitação nacional na simulação de escoamentos reativos em motores-foguete, com refrigeração regenerativa, operando com o sistema LOX/LH2.

16. Referências Bibliográficas FRÖHLICH, A.; POPP, M.; SCHMIDT, G.; THELEMANN, D. “Heat transfer characteristics of H2/O2 – combustion chambers”. In: 29th JOINT PROPULSION CONFERENCE. Proceedings … Monterey, 1993. AIAA paper 93-1826. HABIBALLAH, M.; VINGERT, L.; DUTHOIT, V.; VUILLERMOZ, P. “Research as a key in the design methodology of liquid-propellant combustion devices”. Journal of Propulsion and Power, v. 14, n. 5, pp. 782-788, 1998. LAROCA, F. Solução de escoamentos reativos em bocais de expansão usando o método dos volumes finitos. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil, 2000. LAROCA, F.; MARCHI, C. H.; SILVA, A. F. C. da; HINCKEL, J. N. “Simulação de escoamentos quase-unidimensionais e reativos em bocais do tipo convergente-divergente”, In: CONGRESSO IBERO LATINO-AMERICANO DE MÉTODOS COMPUTACIONAIS EM ENGENHARIA. Anais ... Rio de Janeiro, 2000. MARCHI, C. H.; LAROCA, F.; SILVA, A. F. C. da; HINCKEL, J. N. “Numerical solutions of flows in rocket engines with regenerative cooling”. Numerical Heat Transfer, Part A, v. 45, pp. 699-717, 2004.