Governo Federal

Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
MÉTODOS NUMÉRICOS EM ENGENHARIA (40001016030P0)
Otimização da Geometria da Seção Divergente de Tubeiras de Motores-Foguete
JONAS JOACIR RADTKE
TESE
24/09/2014

Baseado em dinâmica dos fluidos computacional, o presente trabalho investigou a otimização do desempenho de tubeiras de motores-foguete. Para resolver o sistema de equações de conservação de massa, da quantidade de movimento linear e de energia, o código computacional utiliza o Método de Volumes Finitos. Este método é baseado em uma formulação adequada a qualquer regime de velocidade, arranjo co-localizado de variáveis e aproximações de primeira ordem para os termos advectivos e segunda ordem para os termos difusivos. O método SIMPLEC é utilizado para o acoplamento pressão-velocidade. As estimativas de erro numérico foram calculadas utilizando-se os estimadores de Richardson, GCI e Convergente. A validação do modelo foi obtida através de dados experimentais disponíveis na literatura e resultados de referência foram gerados. O principal objetivo deste trabalho foi a obtenção da geometria da tubeira que maximiza o desempenho do motor-foguete. Foram considerados diferentes modelos matemáticos (Euler e Navier-Stokes) para escoamentos monoespécie e congelado, bem como, diferentes condições de operação (pressão de estagnação e temperatura de estagnação), para avaliar a influência destes modelos e condições de operação sobre a configuração ótima de tubeiras com várias dimensões. Foi desenvolvido um algoritmo de Evolução Diferencial para otimizar a geometria da tubeira. Como resultados, obteve-se a geometria de uma tubeira ótima sob cada uma das condições consideradas, bem como, a avaliação de o quanto e como cada condição afeta as características da tubeira ótima. Mostrou-se que a inclinação ótima de uma tubeira cônica para operação no vácuo é de aproximadamente 25 graus, que possui coeficente de empuxo de até 2,46% superior ao obtido para a tubeira cônica de 15 graus. O ganho no desempenho obtido para tubeiras sino ficou entre 2,2 e 3,7% do desempenho da tubeira cônica de 15 graus. Verificou-se que a tubeira parabólica otimizada possui desempenho muito próximo ao obtido para a tubeira sino otimizada, tal diferença ficou menor do que 0,2% em todos os casos avaliados. Constatou-se que a temperatura do gás e o modelo físico utilizado na simulação numérica são os principais fatores que influenciam a geometria ótima das tubeiras. A geometria obtida pela metodologia proposta, apresentou o mesmo desempenho do que a obtida pelo Método de Rao, além de permitir a utilização de modelos mais realistas na previsão do escoamento

Dinâmica dos Fluidos Computacional. Método de Volumes Finitos. Propulsão. Otimização. Motores-Foguete. Estimativa de Erro Numérico. Verificação. Validação. Benchmarks.
Based on computational fluid dynamics, this study investigated the performance optimization of rocket engine nozzles. To solve the system of equations of mass conservation, linear momentum and energy, the computational code uses the finite volume method. This method is based on a formulation suitable to any scheme of speed, co-located arrangement of variables and first-order approximations for the advection terms and second order for the diffusive terms. The SIMPLEC method is used for the pressure-velocity coupling. The numerical error estimates were calculated by using the estimators Richardson, GCI and Convergent. Model validation was obtained by experimental data available in the literature and reference results were generated. The main object of this work was to obtain the nozzle geometry that maximizes the performance of the rocket engine. Different mathematical models (Euler and Navier-Stokes) for frozen and monospecies flows were considered, as well as different operating conditions (stagnation pressure and stagnation temperature), in evaluating the influence of such models and operating conditions on the optimum configuration nozzles with various dimensions. An algorithm of Differential Evolution was developed to optimize the geometry of the nozzle. As a result, we obtained the optimal geometry of a nozzle under each of the conditions considered, as well the evaluation of how much and how each condition affects the characteristics of the optimal nozzle. Results have shown that the optimal inclination of a conical nozzle for operation in vacuum is approximately 25 degrees, which has thrust coefficient, up to 2.46% higher than for the 15 degree conical nozzle. The gain in performance obtained for bell nozzles were between 2.2 and 3.7% of the performance of the 15 degree conical nozzle. It has been found that the optimized parabolic nozzle performance is very close to that obtained for the optimized nozzle bell; the difference was less than 0.2% in the performance of all cases evaluated. It has also been found that the gas temperature and the physical model used in the numerical simulation are the main factors that influence the optimal geometry of the nozzles. Geometry obtained by the proposed methodology showed the same performance than that obtained by the method of Rao, besides allowing the use of more realistic models in predicting of flow.
Computational Fluid Dynamics. Finite Volume Method. Propulsion. Optimization. Rocket engines. Numerical Error Estimation. Verification. Validation. Benchmarks.
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

Contexto

MECÂNICA COMPUTACIONAL
AERODINÂMICA E PROPULSÃO DE FOGUETES
VALIDAÇÃO EM PROPULSÃO E AERODINÂMICA DE FOGUETES

Banca Examinadora

CARLOS HENRIQUE MARCHI
Sim
Nome Categoria
RICARDO CARVALHO DE ALMEIDA Docente
CARLOS ALBERTO ROCHA PIMENTEL Participante Externo
JOSE NIVALDO HINCKEL Participante Externo
LUCIANO KIYOSHI ARAKI Docente

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Não