Simulação Numérica de
Escoamento Reativo em
Motor-Foguete
Doutorando:
Luciano Kiyoshi Araki (PPGMNE)
Orientador:
Carlos Henrique Marchi, D. Eng.
Introdução
 Foguetes a propelente líquido são o principal
sistema de propulsão espacial.
 O sistema LOX/LH2 é o mais utilizado para alta
performance e deve continuar a sê-lo pelas
próximas décadas (Haidn e Habiballah, 2003).
 A técnica mais utilizada para refrigerar motoresfoguetes de grandes dimensões (Ariane V,
Discovery) a propelente líquido de alta pressão é a
regenerativa.
Objetivos
 Implementação de códigos computacionais para
resolver escoamento reativos em motoresfoguetes, com refrigeração regenerativa, operando
com o sistema LOX/LH2.
 Avaliação do empuxo, da temperatura máxima e
da queda de pressão de refrigerante.
 Análise de erros numéricos.
Motor Vulcain (Ariane V)
 Empuxo (nível do mar): 1.007 kN.
 Temperatura da parede: 750 K.
 Câmara de combustão: temperatura de 3.500 K e
pressão de 100 bar.
 Fluxo de calor (garganta): 60 MW/m2.
 Canais: podem chegar a 360; altura de 9,5 a 12
mm e largura de 1,3 a 2,6 mm.
Motivação
 Temperaturas elevadas em gases: dissociação (e
até ionização) tornam-se relevantes.
reação 1 : 2 H 2
 O2
 2 H 2O
reação 2 :
 O2
 2OH
H2
 Modelos de até 8 espécies (H2, O2, H2O, OH, H,
O, HO2, H2O2) e 18 reações.
 Os atuais foguetes não resistem à aplicação de
cargas cíclicas térmicas e mecânicas. Necessidade
de foguetes reutilizáveis (Kuhl et al., 1998).
Figura 1: Motor-foguete bipropelente com refrigeração regenerativa.
Fonte: Marchi et al., Solução Numérica de Escoamentos em Motor-Foguete
com Refrigeração Regenerativa, XXI Cilamce.
Metodologia
• Volumes Finitos.
• Funções de interpolação de segunda ordem, colocalizado.
• Técnica multimalhas (multigrid).
• Modelos de turbulência para baixo Reynolds (k-
para baixo Reynolds).
• Equilíbrio e desequilíbrio químico.
Metodologia
• Estudo do escoamento 1D, reativo:
Escoamento
quase-unidimensional
subsônico
supersônico, compressível, com taxa finita de reação.
a
• Estudo do escoamento 2D, monoespécie:
Escoamento bidimensional, não-reativo, para estudo de
efeitos viscosos.
• Estudo do escoamento 2D reativo:
Escoamento bidimensional completo.
Objetivos futuros
• Simulação de problemas acadêmicos e existentes na
literatura (para o par propelente LOX/LH2, para
validação dos programas implementados.
• Estudo de erros numéricos para verificação de
resultados aparentemente contraditórios encontrados na
literatura.
• Avaliação de propriedades térmicas e de escoamento
para o sistema querosene-oxigênio e comparação com
dados experimentais a serem medidos.