A significant part of the world economy depends on stationary or vehicular Diesel engines. Such engines are fed mainly by fossil fuels, among these, the standard diesel. The growing interest in renewable energy sources makes the use of ethanol in these engines a real technological demand. From the existing concepts to meet this goal the Diesel-Ethanol in the Dual-Fuel mode has demand for published experimental data. Such concept brings a greater degree of freedom, but implications in technological challenges. It works through a PFI (Port Fuel Injection) system to prepare a pre-mixture of air and ethanol in the intake port which is compressed in the combustion chamber and ignited by pilot injection of diesel. In this work a single cylinder research engine with 100% electronically controlled calibration was used. The engine control parameters were set to maximize diesel substitution rate by ethanol with a limited indicated efficiency loss. Comparisons were made among different working conditions. Initially, the flow structure in the combustion chamber was tested in both quiescent and high swirl modes. Compression ratios were adjusted at 3 different levels: 14:1, 16:1 and 17:1. Two injectors were tested, the first one with mass flow of 35 g/s and another of 45 g/s. Regarding pressure diesel injection, 4 levels were investigated namely 800, 1000, 1200 and 1400 bar. The experiments discussed in this work were able to achieve up to 65% of diesel energy substituted by hydrated ethanol energy with an indicated efficiency of 49%. In comparison with the diesel only running condition, the NOx emissions was improved by up to 60%. But the HC, CO and aldehydes emissions had a penalty, showing a trade-off that shall be further investigated with a final design engine in the beginning of product development process.

Calculando quinze motores (variando a pressão de câmara e a razão de expansão dos gases) e mais cinco geradores de gás (variando apenas a pressão de funcionamento), propulsionados a LOX e álcool, foi selecionado um motor compatível com o atual motor russo RD109 (LOX e querosene) com os dados numéricos gerados por um algoritmo de cálculo. Uma vez escolhida à pressão de câmara, foi possível dimensionar um motor de 75kN com um gerador de gás que alimenta uma turbo bomba com funcionamento de ciclo aberto. Neste trabalho, foi estudado um novo tipo de gerador de gás alimentado por injetores de célula única, com duas regiões de queima, com o objetivo de reduzir a formação de fuligem. Com o modelo proposto de gerador de gás foi realizado um estudo estrutural estático, para verificar a espessura mínima da parede da câmara geradora de gás.

Este trabalho se direciona na construção de um modelo detalhado de elementos finitos da Câmara de empuxo do motor L15 a propulsão líquida. O sistema estrutural compõe-se das seguintes partes: tubeira, suporte, garganta, cinta de resfriamento e câmara de combustão. A pré-análise, apresentada neste trabalho, ajuda a compreender e prever a influência das deformações e respectivas tensões, antes da construção de um protótipo para ensaio reduzindo esforços, custos e permitindo uma visão com boa margem de segurança sobre os resultados que serão obtidos com os testes práticos. A análise teórica da estabilidade de um sistema, assim como também, a simulação de sua operação, requer a elaboração de um modelo matemático para descrever, sempre com algum nível de aproximação, os fenômenos mais importantes do sistema real. No presente trabalho, esta modelagem é feita pelo "software" MSC. "Patran/Nastran V.2004" através da criação de modelos geométricos e a geração de malha com materiais diversos. É possível por meio do "software" utilizado, prever as tensões em áreas críticas, melhorar a qualidade dos resultados através do refinamento de malha. O método proporciona uma redução significativa no tempo e no esforço necessário para a realização da análise estrutural. Os resultados foram comparados com valores obtidos para tensão de escoamento e ruptura dos materiais, e margens de segurança foram determinadas.

Este estudo apresenta uma solução numérica para o problema da transferência de calor conjugada em escoamento de ar quente através de bocal metálico de-Laval refrigerado por água, em regime permanente, usando um único domínio para representar as regiões de gás, sólido e líquido. O modelo matemático compreende as equações de continuidade, de quantidade de movimento (RANS), de energia, de turbulência (k- ?) e de tratamento próximo à parede (EWT- ?). Para solução do problema é empregado o método de volumes finitos, com algoritmo segregado baseado em pressão e discretização espacial de segunda ordem. Para o escoamento de ar, o fluido é tratado como ar dissociado, em equilíbrio termodinâmico, sendo aplicado o modelo de gás perfeito. Para o escoamento de água, que ocorre em altas pressões, baixas temperaturas e baixas velocidades, o fluido é tratado como líquido comprimido, também em equilíbrio termodinâmico. No processo de verificação de malha, três diferentes resoluções são testadas. Para validação do modelo, utilizam-se dados experimentais obtidos em túnel de vento de alta entalpia, além de resultados de simulação obtidos na literatura para o mesmo problema, demonstrando que as soluções apresentadas neste estudo têm excelente concordância em ambos os casos. A análise do comportamento de pressão, velocidade, temperatura e densidade nos escoamentos de água e ar, assim como de fluxo de calor e temperatura na parede interna do bocal, demonstrou que o uso de domínio único permite resolver o problema da transferência de calor conjugada de forma rápida e precisa.

Esta dissertação apresenta uma análise estrutural em regime transiente da câmara de empuxo do Motor Foguete a Propelente Líquido L15 que se encontra em desenvolvimento na Divisão de Propulsão Espacial, no Instituto de Aeronáutica e Espaço. Para tanto foi utilizado o método de elementos finitos por meio dos programas MSC.Patran e MSC.Nastran. O regime transiente caracteriza-se pela existência de um carregamento dinâmico, a pressão de câmara, variando no domínio do tempo. Para a determinação das respostas dinâmicas foi selecionada uma solução MSC.Nastran que calcula a resposta utilizando o método da superposição modal. Deslocamentos e acelerações de nós em duas diferentes regiões da câmara de empuxo (região cilíndrica e tubeira) foram resultados utilizados para quantificar a magnitude e intensidade das vibrações geradas nesses locais e verificar a influência do amortecimento.

Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um trabalho que tem como objetivos avaliar a composição de turbocompressores veiculares para microgeração de energia e desenvolver um modelo de câmara de combustão tubular para equipar microturbinas a gás derivadas de turbocompressores. No desenvolvimento do trabalho, utilizando o software Cycle-Tempo, foi feita a avaliação de possíveis configurações de microturbinas a gás derivadas de turbocompressores, no que diz respeito ao número de eixos e dispositivos de aumento de eficiência térmica (intercooler, recuperador de calor e reaquecedor). No total foram simuladas, dez diferentes configurações, sendo que as análises foram feitas diretamente nos parâmetros de eficiência térmica dos conjuntos avaliando-se a relação entre a energia aportada pelo combustível e a energia entregue num gerador elétrico hipotético. Na sequência são definidos os turbocompressores para compor uma determinada configuração de microturbina a gás e, para tanto, utilizaram-se os mapas de desempenho dos turbocompressores de um fabricante. A partir dos parâmetros de operação dos equipamentos foi desenvolvido um modelo tridimensional de câmara de combustão em software de CAD. O modelo passou por cinco etapas de simulações em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD). As primeiras três etapas serviram para desenvolver e aprimorar o modelo tridimensional de câmara de combustão e, por limitações do software, não envolveram combustão. Utilizando condições de contorno operacionais, foram avaliados: o perfil de velocidades ao longo da câmara de combustão, a perda de pressão, a intensidade da turbulência, a homogeneização entre os reagentes ar e combustível e a divisão do fluxo mássico em cada seção da câmara de combustão. A partir do modelo tridimensional foi desenvolvido um protótipo da câmara de combustão, construído a partir de tubos comerciais de PVC. O protótipo foi avaliado experimentalmente com escoamento do ar a temperatura ambiente, utilizando o acoplamento em série entre um ventilador centrífugo e um soprador. No experimento foi avaliada a divisão de fluxo mássico de ar em cada seção da câmara de combustão e a perda de pressão. As simulações CFD foram refeitas na quarta etapa, onde as condições de contorno foram os parâmetros de fluxo mássico, pressão e temperatura, obtidos experimentalmente. Com isto, pode ser feita a comparação direta entre os resultados obtidos experimentalmente e os resultados das simulações CFD. Concluindo o trabalho foi realizada a quinta etapa, onde foi inserida uma fonte de calor simulando o aporte de energia da combustão, permitindo a avaliação da temperatura na câmara de combustão. As simulações CFD indicaram resultados semelhantes ao que é previsto em bibliografia, no que diz respeito à divisão do fluxo mássico, perda de pressão e à distribuição de velocidades. Já as avaliações experimentais apresentaram incerteza de medição elevada para a divisão de fluxo mássico. Quanto à perda de pressão o método experimental mostrou-se adequado. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2017-10-25T17:02:08Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Vieira Pinto.pdf: 7889874 bytes, checksum: a3dd417da94a3175c511cb73b3577fd2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-25T17:02:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Vieira Pinto.pdf: 7889874 bytes, checksum: a3dd417da94a3175c511cb73b3577fd2 (MD5) Previous issue date: 2017-10-25 / This master's work presents the development of a work that has the objective of evaluating the composition of vehicular turbochargers for microgeneration of energy and to develop a tubular combustion chamber model to equip gas microturbines derived from turbochargers. In the development of the work, using the software Cycle-Tempo, it is made the evaluation of possible configurations of gas micro turbines derived from turbochargers, with respect to the number of axes and devices of increasing thermal efficiency (intercoolers, heat recover e reheater). In total, ten different configurations were simulated, and the analyzes were done directly in the thermal efficiency parameters of the sets, evaluating the relation between the energy contributed by the fuel and the energy delivered in a hypothetical electric generator. Turbochargers are then defined to form a particular gas micro turbine configuration and, being used the turbocharger performance maps from a manufacturer. From the operating parameters of the equipment, a three-dimensional combustion chamber model was developed in CAD software. The model went through five stages of simulations in Computational Fluid Dynamics (CFD). The first three steps served to develop and improve the three-dimensional model of combustion chamber and, due to software limitations, did not involve combustion. Using operational contour conditions, the velocity profile along the combustion chamber, the pressure loss, the turbulence intensity, the homogenization between the air and fuel reactants and the division of the mass flow in each section of the combustion chamber were evaluated. From the three-dimensional model was developed a prototype of the combustion chamber, built from commercial PVC pipes. The prototype was evaluated experimentally with air flow at room temperature using the coupling in series between a centrifugal fan and a blower. In the experiment the air mass flow division in each section of the combustion chamber and the loss of pressure were evaluated. The CFD simulations were redone in the fourth stage, where the boundary conditions were the parameters of mass flow, pressure and temperature, obtained experimentally. Thus, a direct comparison between the results obtained experimentally and the results of CFD simulations can be made. At the end of the work the fifth step was performed, where a heat source was inserted simulating the energy input of the combustion, allowing the temperature evaluation in the combustion chamber. The CFD simulations indicated results similar to those predicted in the literature, regarding the division of mass flow, pressure loss and velocity distribution. However, the experimental evaluations presented high measurement uncertainty for the mass flow division. Regarding pressure loss, the experimental method proved to be adequate.

Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um trabalho que tem como objetivos avaliar a composição de turbocompressores veiculares para microgeração de energia e desenvolver um modelo de câmara de combustão tubular para equipar microturbinas a gás derivadas de turbocompressores. No desenvolvimento do trabalho, utilizando o software Cycle-Tempo, foi feita a avaliação de possíveis configurações de microturbinas a gás derivadas de turbocompressores, no que diz respeito ao número de eixos e dispositivos de aumento de eficiência térmica (intercooler, recuperador de calor e reaquecedor). No total foram simuladas, dez diferentes configurações, sendo que as análises foram feitas diretamente nos parâmetros de eficiência térmica dos conjuntos avaliando-se a relação entre a energia aportada pelo combustível e a energia entregue num gerador elétrico hipotético. Na sequência são definidos os turbocompressores para compor uma determinada configuração de microturbina a gás e, para tanto, utilizaram-se os mapas de desempenho dos turbocompressores de um fabricante. A partir dos parâmetros de operação dos equipamentos foi desenvolvido um modelo tridimensional de câmara de combustão em software de CAD. O modelo passou por cinco etapas de simulações em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD). As primeiras três etapas serviram para desenvolver e aprimorar o modelo tridimensional de câmara de combustão e, por limitações do software, não envolveram combustão. Utilizando condições de contorno operacionais, foram avaliados: o perfil de velocidades ao longo da câmara de combustão, a perda de pressão, a intensidade da turbulência, a homogeneização entre os reagentes ar e combustível e a divisão do fluxo mássico em cada seção da câmara de combustão. A partir do modelo tridimensional foi desenvolvido um protótipo da câmara de combustão, construído a partir de tubos comerciais de PVC. O protótipo foi avaliado experimentalmente com escoamento do ar a temperatura ambiente, utilizando o acoplamento em série entre um ventilador centrífugo e um soprador. No experimento foi avaliada a divisão de fluxo mássico de ar em cada seção da câmara de combustão e a perda de pressão. As simulações CFD foram refeitas na quarta etapa, onde as condições de contorno foram os parâmetros de fluxo mássico, pressão e temperatura, obtidos experimentalmente. Com isto, pode ser feita a comparação direta entre os resultados obtidos experimentalmente e os resultados das simulações CFD. Concluindo o trabalho foi realizada a quinta etapa, onde foi inserida uma fonte de calor simulando o aporte de energia da combustão, permitindo a avaliação da temperatura na câmara de combustão. As simulações CFD indicaram resultados semelhantes ao que é previsto em bibliografia, no que diz respeito à divisão do fluxo mássico, perda de pressão e à distribuição de velocidades. Já as avaliações experimentais apresentaram incerteza de medição elevada para a divisão de fluxo mássico. Quanto à perda de pressão o método experimental mostrou-se adequado. / This master's work presents the development of a work that has the objective of evaluating the composition of vehicular turbochargers for microgeneration of energy and to develop a tubular combustion chamber model to equip gas microturbines derived from turbochargers. In the development of the work, using the software Cycle-Tempo, it is made the evaluation of possible configurations of gas micro turbines derived from turbochargers, with respect to the number of axes and devices of increasing thermal efficiency (intercoolers, heat recover e reheater). In total, ten different configurations were simulated, and the analyzes were done directly in the thermal efficiency parameters of the sets, evaluating the relation between the energy contributed by the fuel and the energy delivered in a hypothetical electric generator. Turbochargers are then defined to form a particular gas micro turbine configuration and, being used the turbocharger performance maps from a manufacturer. From the operating parameters of the equipment, a three-dimensional combustion chamber model was developed in CAD software. The model went through five stages of simulations in Computational Fluid Dynamics (CFD). The first three steps served to develop and improve the three-dimensional model of combustion chamber and, due to software limitations, did not involve combustion. Using operational contour conditions, the velocity profile along the combustion chamber, the pressure loss, the turbulence intensity, the homogenization between the air and fuel reactants and the division of the mass flow in each section of the combustion chamber were evaluated. From the three-dimensional model was developed a prototype of the combustion chamber, built from commercial PVC pipes. The prototype was evaluated experimentally with air flow at room temperature using the coupling in series between a centrifugal fan and a blower. In the experiment the air mass flow division in each section of the combustion chamber and the loss of pressure were evaluated. The CFD simulations were redone in the fourth stage, where the boundary conditions were the parameters of mass flow, pressure and temperature, obtained experimentally. Thus, a direct comparison between the results obtained experimentally and the results of CFD simulations can be made. At the end of the work the fifth step was performed, where a heat source was inserted simulating the energy input of the combustion, allowing the temperature evaluation in the combustion chamber. The CFD simulations indicated results similar to those predicted in the literature, regarding the division of mass flow, pressure loss and velocity distribution. However, the experimental evaluations presented high measurement uncertainty for the mass flow division. Regarding pressure loss, the experimental method proved to be adequate.

Combustion instability problems have been experienced during nearly every rocket engine development program, characterized by chamber pressure oscillations and high density of energy release in a volume having relatively low losses. Several distinct types of instability and their physical manifestations have been observed, although the frequency and amplitude of these oscillations and their external manifestations normally vary with the type of instability. The most destructive type of instability is referred to as high frequency instability, resonant combustion or acoustic instability, which is usually eliminated by use of passive control, involving installation of baffles, resonators, or some other modification of geometry. The main purpose of this work is the experimental investigation of use of passive control devices (Helmholtz resonators and baffles) to control acoustic instabilities in combustion chambers, because this type of instability occurs in liquid rocket engines, rocket motors and industrial burners. The first step of this research is the acoustic characterization of chamber, thus cold tests were carried out on full-scale chamber model to analyze the effects of resonators. Experimental frequency spectrum data are in excellent agreement with resonant frequencies and damping rate calculated by theoretical model, demonstrating resonators efficiency to reduce the amplitude of Sound Pressure Level at given resonant frequency. Afterwards, hot tests were carried out on burner with and without resonators, identifying the frequency spectrum of acoustic pressure in chamber, which was compared with cold tests (full-scale model) results and theory by correction factors of temperature, density, and viscosity. The experimental data validated the methodology to design resonators useable to control combustion instabilities.

Combustão pré-misturada dentro de meio poroso é área de intensa pesquisa na atualidade. Isto se deve à necessidade da indústria na utilização de câmaras de combustão com alta eficiência e baixa emissão de poluentes. Aplicações desta tecnologia em áreas como produção de hidrogênio, exploração de petróleo e aquecimento doméstico estão sendo investigadas por vários grupos de pesquisa. Neste trabalho são apresentadas simulações numéricas da combustão em meio poroso. Um modelo laminar, bidimensional, baseado em uma formulação macroscópica para as equações de transporte foi adotado. A cinética química é modelada através de dois mecanismos reduzidos, 6 e 8 equações elementares. O método numérico empregado é o de volumes finitos em um sistema de coordenadas generalizadas. Foram investigados três protótipos de reatores porosos e comparados os resultados das simulações aos resultados experimentais encontrados na literatura. Esta tecnologia tem como fundamento o controle sobre a chama a partir da possibilidade de uso de diferentes materiais porosos dentro do reator. Para um melhor entendimento das características dos materiais porosos e sua influência sobre a chama, foram realizadas análises de sensibilidade de vários parâmetros relacionados aos materiais porosos e às condições de entrada no reator.

O injetor é um dos componentes críticos do motor a propelente líquido. A ele estão relacionados muitas das causas que levam ao mau funcionamento do motor. As técnicas utilizadas na caracterização dos injetores são feitas com água a pressão e temperatura ambientes. No entanto esta caracterização tende a ser pouco precisa para prever o real comportamento do injetor, devido à discrepância entre os regimes de operação encontrados nas câmaras de combustão e também à diferença entre as propriedades dos líquidos utilizados. O presente trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de um injetor criogênico, comparando os resultados obtidos com água e com um líquido criogênico. Também foi projetada uma câmara para o estudo do injetor em combustão. Iniciou-se fazendo a escolha de um injetor adequado para os testes na câmara de combustão. Quatro modelos foram testados a procura do que apresentasse as melhores características. Nessa primeira parte, verificaram-se os tamanhos de gotas (SMD) e se fez a comparação dos valores medidos com os tamanhos de gotas calculados a partir das equações empíricas. Também foram realizadas as medidas dos ângulos de abertura dos sprays. Os testes de distribuição de massa foram realizados com um parternador e um calorímetro. Posteriormente foram representados em gráficos de curva de nível e de superfície e a qualidade de mistura analisada. A primeira câmara fabricada era inteiriça (uma peça única) de cobre com uma tomada de pressão e um ignitor gás dinâmico acoplado. Ao final dos testes verificou-se a necessidade de um estudo para um novo cabeçote e de um novo ignitor. Despenderam-se esforços no sentido de redimensionar o ignitor com alguns resultados promissores. Foram realizados ensaios com sprays de N2 líquido e álcool, utilizando a técnica de Fluorescência Induzida por Laser ("Planar Laser Induced Fluorecence", PLIF). O PLIF demonstrou ser uma excelente ferramenta para observar o comportamento dos sprays. O injetor foi testado com água e depois com álcool, para o combustível, e nitrogênio para o oxidante, utilizando Velocimetria de partículas por imageamento ("Particle image Velocimetry", PIV). Foram comparados os resultados do comportamento do líquido criogênico e da água. Finalmente, um novo modelo de câmara foi projetado, incluindo modificações que a fazem mais maleável e permitem diferentes regimes de trabalho. Este modelo deve ser testado em trabalho posterior.