Análise analítica e numérica do escoamento em um veículo lançador de CubeSats aplicando a tecnologia da combustão supersônica no segundo estágio de propulsão

dc.contributor.advisorToro, Paulo Gilberto de Paula
dc.contributor.advisor-co1Souza, Sandi Itamar Schafer de
dc.contributor.advisor-co1ID42635926034pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7400466085627528pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8765591637274439pt_BR
dc.contributor.authorAraújo, Pedro Paulo Batista de
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8995418183590174pt_BR
dc.contributor.referees1Follador, Roberto da Cunha
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0312757209526436pt_BR
dc.contributor.referees2Silva, Douglas do Nascimento
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/0841120842454720pt_BR
dc.contributor.referees3Greco Júnior, Paulo Celso
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/4293892048239575pt_BR
dc.date.accessioned2022-02-10T12:25:42Z
dc.date.available2022-02-10T12:25:42Z
dc.date.issued2021-10-15
dc.description.abstractCurrent rocket engines have a low specific thrust compared to the airbreathing propulsion technologies. Airbreathing supersonic combustion engines/vehicles are an alternative to improve the efficiency of access to space in a flight through the dense Earth’s atmosphere, below 60 km of geometric altitude. In this work, aerodynamic analysis of the conceptual model of supersonic combustion engine/vehicle (scramjet) was carried out to operate as a second-stage propulsion engine of a nanoSats launch vehicle. Two engineering approaches, analytical and computational numerical methodology, were used to perform the preliminary analysis of the proposed scramjet model, coupled to the third propulsion stage, at an altitude of 20 km with flight speed equivalent to Mach 5.8. Atmospheric air was considered a calorically perfect gas, and the viscous effects were neglect in a preliminary analysis. Supersonic combustion was modeled as heat adding to the supersonic flow without fuel injection. Then, numerical simulations were carried out considering the effects of the boundary layer development to verify the aerodynamic feasibility of the model. Optimization of the compression angles at the scramjet compression section was used to minimize the entropy generation and increase the vehicle’s compression efficiency, aiming to reach the temperature and Mach number at the combustion chamber entrance. The temperature required at the combustion chamber entrance is estimated to self-ignite the air-fuel mixture. Korkegi limit was evaluated through oblique shock waves in the compression section and in the heat addition process. Using the Korkegi limit, in the preliminary analytical design, as an indication of unstart due to the separation of the boundary layer caused by the adverse pressure gradient, we investigated to identify in numerical simulations considering the viscous effects whether the unstart phenomenon would occur. Numerical simulations were performed using commercial software, ANSYS Fluent, using the turbulence model known as transition SST. We also performed mesh convergence tests, numerical experiment validation on top of numerical data validated by HyShot flight data. Both meshes used in the validation and the analysis of the present work have equivalent levels of refinement in the direction of the wall, satisfying the condition of the turbulence model (𝑦 + < 1). The analytical calculations showed good quantitative and qualitative consistency with the numerical simulation results considering the samept_BR
dc.description.resumoOs atuais motores foguetes possuem baixo impulso específico quando comparados com tecnologias de propulsão aspirada. Os motores/veículos aspirados de combustão supersônica são uma alternativa para melhorar a eficiência do acesso ao espaço em um voo dentro da atmosfera terrestre, abaixo dos 60 km de altitude geométrica. Neste trabalho foi realizado uma análise aerodinâmica do modelo conceitual de um veículo/motor de combustão supersônica, scramjet, para operar como um motor propulsor de segundo estágio de um veículo lançador de nanoSats. Foram usadas duas abordagens de engenharia, metodologia analítica e numérica computacional, para realizar a análise preliminar do modelo de scramjet proposto, acoplado ao terceiro estágio de propulsão, na altitude de 20 km com velocidade de voo equivalente a número de Mach 5,8. O ar atmosférico foi considerado como sendo gás caloricamente perfeito e os efeitos viscosos foram inicialmente desprezados em uma análise preliminar. A combustão supersônica foi modelada como um processo de adição de calor ao escoamento, sem injeção de combustível. Nas simulações numéricas foram considerados os efeitos do desenvolvimento da camada limite para verificar a viabilidade aerodinâmica do modelo. Foram otimizados os ângulos da seção de compressão do scramjet, visando atingir a condição de temperatura e número de Mach requeridos na entrada da câmara de combustão, para minimizar os efeitos da geração de entropia e aumentar a eficiência de compressão do veículo. A temperatura requerida na entrada da câmara é a necessária para realizar a autoignição da mistura ar-combustível. Foi avaliado o limite de Korkegi através das ondas de choque oblíquas na seção de compressão e no processo de adição de calor. Ao usar o limite de Korkegi, no projeto analítico preliminar, como um indicativo de entupimento (unstart) do modelo devido a separação da camada limite, provocada pelo gradiente adverso de pressão, buscou-se identificar nas simulações numéricas, considerando os efeitos viscosos, se ocorreria o fenômeno do unstart. As simulações numéricas foram feitas no software comercial ANSYS Fluent usando o modelo de turbulência conhecido como SST de transição (Transition SST). Também foram realizados testes de convergência de malha, validação do experimento numérico a partir dos dados numéricos validados por dados de voo em condições reais do HyShot. As malhas utilizadas, tanto na validação quanto na análise do presente trabalho, possuem equivalentes níveis de refinamento na direção da parede, satisfazendo a condição do modelo de turbulência (𝑦 + < 1). Os cálculos analíticos apresentaram boa coerência quantitativa e qualitativa com os resultados das simulações numéricas considerando as mesmas simplificações adotadas no analítico. Uma adaptação do cálculo analítico é proposto para levar em consideração os efeitos da interação do leque de expansão com a onda de choque oblíqua incidente na seção de compressão do scramjet. Os resultados das simulações viscosas indicaram que devem ser feitas melhorias na geometria pois a solução apresentada para evitar o entupimento do modelo reduziu a temperatura na entrada da câmara de combustão, assim como reduziu o fluxo de massa capturado pelo combustor.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.identifier.citationARAÚJO, Pedro Paulo Batista de. Análise analítica e numérica do escoamento em um veículo lançador de CubeSats aplicando a tecnologia da combustão supersônica no segundo estágio de propulsão. 2021. 106f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciências Aeroespaciais) - Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/45915
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIALpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectCombustão supersônicapt_BR
dc.subjectPropulsão hipersônica aspiradapt_BR
dc.subjectScramjetpt_BR
dc.subjectHipersônicapt_BR
dc.subjectAerodinâmicapt_BR
dc.subjectDinâmica dos fluidos computacionalpt_BR
dc.titleAnálise analítica e numérica do escoamento em um veículo lançador de CubeSats aplicando a tecnologia da combustão supersônica no segundo estágio de propulsãopt_BR
dc.title.alternativeSupersonic combustion technology applied to the second stage of the nanoSats launch vehiclept_BR
dc.typemasterThesispt_BR

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