Motores scramjet representam uma tecnologia promissora em aplicações aeroespaciais hipersônicas. A principal vantagem dessa classe de sistemas propulsivos deve-se ao fato de que tais motores não precisam transportar consigo o oxidante, que é obtido da própria atmosfera. Essa característica proporciona uma considerável redução de peso que, por sua vez, se traduz em maior capacidade de carga útil e maior impulso específico que motores foguete convencionais. Entre as possíveis aplicações para motores scramjet está a utilização como um dos estágios de veículos aeroespaciais, aeronaves de cruzeiro hipersônicas de caráter militar ou civil e mísseis hipersônicos. Apesar de serem estudados desde os anos 1960, com diversos avanços significativos já alcançados, não há, atualmente, motores scramjet utilizados em aplicações reais, estando essa tecnologia ainda em fase de testes e desenvolvimento. Entre os países que têm investido no domínio da tecnologia scramjet encontram-se Estados Unidos, Austrália, Rússia, França, Alemanha e Japão. No Brasil, esforços também têm sido realizados no Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry T. Nagamatsu, do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), em São José dos Campos.Um dos projetos de veículos hipersônicos scramjet desenvolvidos no IEAv é o veículo hipersônico aeroespacial 14-X B, objeto de análise deste estudo, projetado para voar com número de Mach 7 numa altitude de 30 km. Este trabalho teve por objetivo realizar uma análise de desempenho do veículo 14-X B nas suas diversas condições de operação possíveis. Para tanto, desenvolveu-se, primeiramente, uma metodologia para determinação do envelope de voo com base na geometria do veículo, combustível utilizado e num conjunto de critérios de restrição reunidos da literatura. Realizou-se, então, um estudo do comportamento das ondas de choque/expansão nas diversas condições de operação possíveis, identificando-se como prevê-las a partir da informação das condições de voo. Por meio de um conjunto de hipóteses simplificadoras, entre elas a de que o escoamento ao longo do veículo consiste de ar caloricamente perfeito e sem viscosidade, foi desenvolvida uma rotina para calcular o envelope de voo e os parâmetros de desempenho ao longo desse envelope para um veículo com configuração 2D, com base na sua geometria e combustível. Os resultados foram comparados com resultados de uma análise CFD que utilizou hipóteses semelhantes para três casos distintos e a maior diferença foi de 22%. Por fim, foi realizada uma análise dos resultados obtidos para três casos: i) considerando voo de cruzeiro; ii) considerando voo para máxima aceleração e iii) alterando-se um parâmetro de voo de cada vez (altitude, Mach, ângulo de ataque e razão de equivalência). Foram avaliadas as tendências dos parâmetros de desempenho, buscando-se compreender o porquê de cada comportamento, identificar oportunidades de melhorias e alertar para situações indesejadas.

Este trabalho é parte importante de esforços contínuos que vêm sendo empreendidos pelo ITA e pelo IAE em desenvolver uma ferramenta numérica capaz de simular escoamentos hipersônicos em condição de não equilíbrio termodinâmico e químico. O interesse, além de desenvolver e adquirir conhecimento sobre códigos numéricos abrangentes, é auxiliar o projeto aerotermodinâmico do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica). O trabalho, contudo, não está endereçado especificamente a configurações de reentrada. Validações do código numérico já haviam sido realizadas com sucesso em simulações de escoamentos hipersônicos sobre diedros e mistura reativa formada por hidrogênio e ar. Entretanto, dificuldades foram observadas na simulação de um escoamento em regime permanente sobre um corpo rombudo e mistura reativa formada também por hidrogênio e ar em proporção estequiométrica. A onda de detonação é induzida pela onda de choque e, na solução experimental, está visualmente destacada da onda de choque. Na solução numérica, não foi possível observar esse destacamento. A dinâmica dos fluidos foi modelada pelas equações de Euler e a velocidade de reação química pela lei de Arrhenius. O algoritmo de discretização espacial empregado foi o método de segunda ordem de precisão proposto por Liou, conhecido como AUSM+, implementado em um contexto de volumes finitos e malhas não estruturadas. A evolução temporal é realizada separadamente para a parte da dinâmica dos fluidos e para a parte química. O método de discretização temporal da dinâmica dos fluidos utilizado foi o esquema de segunda ordem de precisão de Runge-Kutta, com cinco estágios no tempo. Para a integração da parte química, utilizou-se o código numérico VODE. O cálculo das velocidades de reação química é feito pelo código CHEMKIN-II. Duas metodologias para o acoplamento da parte química com a dinâmica dos fluidos foram empregadas. Na primeira, o acoplamento é feito pelo processo de separação do passo de tempo de Strang. A segunda é um método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho, no qual o acoplamento é realizado através do uso de partículas lagrangeanas. A mistura reativa é formada por H2 e ar. O mecanismo de cinética química selecionado foi o de Balakrishnan e Williams. O presente trabalho analisa essas dificuldades, faz uma proposta de solução e substancia, implementa e apresenta a validação dessa proposta. O método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho difere da formulação teórica usual no que se refere ao acoplamento da química nas equações da dinâmica dos fluidos. Com essa nova formulação, a parte referente à dinâmica dos fluidos continua considerando as propriedades médias centradas nos volumes, ao passo que o cálculo da parte química deixa de considerar valores médios das frações mássicas. Também é demonstrado neste trabalho que malhas estruturadas de quadriláteros são preferíveis a malhas não estruturadas.

This work presents the results of shock tunnel tests of a Mach 10 waverider with sharp leading edges. The waverider surface was generated from a conical flowfield with the volume and the viscous lift-to-drag ratio as optimization parameters. A compression and expansion ramps were added to the pure waverider surface in order to simulate the flow over a scramjet engine. The compression ramp was designed so as to provide the ideal conditions for the supersonic combustion of the Hydrogen while the expansion section was derived from an ideal minimum length supersonic nozzle. The experimental data included Schlieren photographs of the flow and the pressure distribution over the compression surface. These data were compared with the inviscid theory. During these investigations, the IEAv's T3 shock tunnel was used to simulate the hypersonic flow. The stagnation conditions as well as the free stream properties were estimated using numerical codes. The tunnel operated at Mach number ranges of 8.9 to 10, Reynolds number from 2.25 x 106 to 8.76 x 106 (m-1) and Knudsen number from 0.06 to 0.19. From the Schlieren photographs it was noted that the inlet flowfield behaves according to the predictions of the hypersonic viscous interaction models. Also, the pressure variation along the compression surface centerline was obtained using piezoelectric pressure sensors. The resulted profile presented the general trend of the flow described by these models.

Vários centros de pesquisa estão desenvolvendo novos veículos aeroespaciais utilizando tecnologias propulsivas avançadas. Estato-reator a combustão supersônica (scramjet) é a tecnologia propulsiva que apresenta maior potencial dentre as tecnologias em estudo. Scramjets transportam apenas o combustível, normalmente hidrogênio, utilizando o ar atmosférico como oxidante adquirindo a maior parte da energia cinética necessária para atingir a órbita terrestre durante seu vôo atmosférico. Túneis de choque hipersônicos são dispositivos laboratoriais capazes de gerar o ambiente encontrado em vôos hipersônicos, com relação à velocidade, composição química, temperatura e entalpia do escoamento. A investigação experimental da processo da combustão supersônica, em túnel de choque hipersônico, está sendo realizada no Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry T. Nagamatsu, em São José dos Campos/SP. Investigações através da técnica de espectroscopia de absorção, para caracterização dos produtos da exaustão, bem como a visualização schlieren da interação do escoamento hipersônico com a entrada da seção de combustão do estato-reator a combustão supersônica foram realizadas.

Túneis de vento são ferramentas fundamentais para o estudo da dinâmica dos gases e possibilitam testes de comportamento aerodinâmico de protótipos em regime de escoamento hipersônico. Um tubo de choque é constituído basicamente de uma seção de alta pressão (Driver) e outra de baixa pressão (Driven) separadas por um diafragma de ruptura metálico que atua como uma válvula de pressão rápida conectando ambas as seções. Se acrescentar uma tubeira e um tanque de exaustão, este tubo de choque se torna um túnel de vento hipersônico. A pressão de ruptura do diafragma determina a velocidade de escoamento do gás na seção de baixa pressão e que pode variar desde Mach 6 até Mach 25 no túnel de vento hipersônico instalado no IEAv. Usualmente, o controle da pressão de ruptura é obtido usinando-se microranhuras em forma de cruz na superfície do diafragma metálico que tem por função direcionar a sua fratura e promover sua rápida abertura. A usinagem mecânica das microranhuras é um processo lento e que, com o desgaste natural da ferramenta de corte, apresenta sérios problemas de manutenção das dimensões das microranhuras. Como forma de solucionar este problema é proposta e desenvolvida neste trabalho uma nova técnica de fabricação de microranhuras em diafragmas metálicos utilizando-se um laser pulsado de baixa potência média e com alta taxa de repetição de pulsos. O processo de usinagem a laser permite a obtenção de microranhuras com dimensões reprodutíveis e controláveis com precisão inferior a 0,1 mm, o que favorece o controle preciso da pressão de ruptura do túnel de vento. A gravação das microranhuras foi efetuada em chapas finas de aço AISI 1020 utilizando um laser a fibra de itérbio pulsado com uma potência média de 20 W, largura de pulso de 150 ns e taxa de repetição de 20 kHz. Com este laser foram obtidas microranhuras com larguras inferiores a 0,05 mm e profundidade precisamente controlada entre 0,3 mm e 0,7 mm, controlando com uma mesa CNC com velocidade de usinagem entre 0,5 mm/s e 8,0 mm/s. Os testes de ruptura dos diafragmas de aço foram realizados em um dispositivo hidráulico acionado por pistão desenvolvido neste trabalho e também no túnel de vento hipersônico T1 do IEAv. A pressão de ruptura dos diafragmas obtida com o dispositivo hidráulico foram equivalentes àquela obtida nos testes efetuados no T1. Dessa forma mostra-se ser possível desenvolver e qualificar os diafragmas sem a necessidade de testes no T1, reduzindo o seu custo de fabricação. Com a técnica de gravação a laser utilizada no trabalho a pressão de ruptura no túnel de vento hipersônico pode ser controlada precisamente no intervalo de pressão entre 30 bar e 120 bar, com grande redução no tempo de fabricação e sem perda de reprodutibilidade.

O método WENO (Esquema Ponderada Essencialmente Não-Oscilatório) é o produto evolutivo de uma sequência de estudos adicionais, que começou com o trabalho seminal de Godunov nos últimos anos da década de 50 do século passado. A partir da reconstrução clássica de Riemann de Godunov os esquemas de alta resolução passaram pelos esquemas MUSCL ("Esquema Monotonicamente Centrado para Leis de Conservação"), o ENO ("Esquema Essencialmente Não-Oscilatório"), chegando finalmente ao estágio do esquema WENO. Esquemas WENO são esquemas de ordem mais alta precisão projetados para problemas com soluções contínuas por partes contendo descontinuidades. A idéia-chave reside no nível de aproximação, quando um procedimento não-linear adaptativo é utilizado para escolher automaticamente o estêncil mais suave localmente, evitando assim que descontinuidades surjam no procedimento de interpolação como tanto quanto possível. Seguindo de perto este caminho evolutiva, uma outra característica muito importante está relacionada com a aproximação tão acurada quanto possível, dos fluxos de Riemann nas junções entre as fronteiras das células. Muitas idéias para essa aproximação apareceram ao longo do caminho. Os esquemas de Lax-Friedrichs, Roe, Steger-Warming, AUSM, AUSMPW, HLL, HLLE, estão todos em uso hoje. Um código computacional baseado em algoritmos de alta ordem e alta resolução, baseado nos algoritmos WENO e MUSCL, chamado HYNE2D, para a simulação de escoamentos viscosos em altas velocidades e com eventualmente soluções constantes por partes, foi desenvolvido pelos autores. Muitos dos esquemas mais eficientes para o cálculo do fluxo foram implementadas, e, neste trabalho, uma comparação completa entre Lax-Friedrichs, Roe, AUSM+ e AUSMPW será explorado estritamente para uma formulação em volumes finitos baseada em arestas em malhas não-estruturadas. Os problemas de validação são todos os casos teste de aferição normalmente encontrados na literatura.

O presente trabalho teve por objetivo estudar a possibilidade de se utilizar esquemas "upwind" para simular escoamentos supersônicos e hipersônicos, sendo adotado, para isto, o esquema de separação de vetores de fluxo de Van Leer. Foram realizadas diversas simulações numéricas utilizando o escoamento interno de uma entrada de ar hipersônica e compararam-se resultados com os obtidos empregando-se o esquema centrado. O escoamento foi modelado pelas equações de Euler em duas dimensões, utilizando-se um método de volumes finitos aplicado a um contexto de malhas não-estruturadas, sendo a marcha no tempo do sistema de equações feita por meio de um método explícito de Runge-Kutta híbrido de cinco passos. A malha computacional foi obtida utilizando-se um esquema de avanço de geração com capacidade limitada de refinamento. Os resultados obtidos possibilitam a avaliação e comparação dos métodos com relação a formação da onda de choque oblíqua, bem como o comportamento em relação à pressão, à densidade e ao número de Mach. Finalmente, foram discutidas as características observadas para cada método.

A proteção térmica por ablação é um tema abordado desde meados da década de 50, quando surgiu a necessidade do desenvolvimento de técnicas de proteção térmica para aplicações na indústria espacial e em veículos hipersônicos. Recentemente no Brasil, alguns projetos de veículos de reentrada atmosférica vem sendo desenvolvidos no CTA (Centro Técnico Aeroespacial). Visando contribuir com o desenvolvimento de uma metodologia de projeto para aplicações no dimensionamento de uma proteção térmica por ablação de veículos de reentrada e ao mesmo tempo verificar a validade da hipótese adotada nos procedimentos de projeto, ou seja, que a ablação é localmente unidimensional, foi implementado, em um programa computacional existente (fornecido por Huang e Usmani, 1994), uma abordagem entálpica para mudança de fase de materiais ablativos. Na solução numérica deste problema, a discretização no espaço foi feita utilizando-se o método de elementos finitos de Galerkin com um procedimento totalmente implícito e iterativo no tempo, para capturar o efeito do calor latente de ablação durante o desgaste da superfície da proteção térmica. Após a validação do programa foram realizadas comparações entre os resultados obtidos (com fluxo de calor constante) com os resultados unidimensionais advindos do programa desenvolvido por Ferreira (2002) e com os apresentados por Blackwell (1988), obtendo-se uma boa concordância.Em seguida, foram feitas algumas simulações para proteção térmica aplicada a uma configuração aproximada do satélite de reentrada SARA, com fluxo de calor constante e variável com a posição e comparados com Ferreira (2002), onde foi observado um desgaste mais intenso nas regiões próximas ao ponto de estagnação do escoamento (local onde o fluxo de calor é mais intenso). Com isso, pôde-se concluir que, para a geometria bidimensional analisada, a hipótese de que a ablação é localmente unidimensional é adequada e a simulação do desgaste da proteção térmica pode ser obtida utilizando uma abordagem unidimensional aplicada em vários cortes ao longo da espessura.

A contribuição efetiva do presente trabalho de tese consiste na implementação de esquemas numéricos, MacCormak (1969) e Jameson e Mavriplis (1986), para resolução das equações de Euler no espaço tridimensional , segundo o contexto de volumes finitos e utilizando técnicas estruturadas e não estruturadas de discretização espacial. A aplicação direta seria para simulações de problemas físicos envolvendo, principalmente, escoamentos supersônicos e hipersônicos de "gás frio" em torno de configurações complexas. Em paralelo a este esforço, são apresentados técnicas de aceleração de convergência em uso comum pela comunidade de CFD e alguns operadores de dissipação artificial para esquemas numéricos com discretização espacial simétrica, com o propósito de averigüar suas características no tocante ao desempenho computacional e à qualidade global da solução.

The present work describes the efforts towards the implementation of upwind schemes to simulate supersonic and hypersonic cold gás flows. The class of flux vector splitting schemes has been chosen, and the particular methods implemented are the van Leer and Liou schemes. Results for different freestream Mach numbers and mesh topologies are discussed in order to assess the comparative performance of the various spatial discretization schemes. The flow is modeled by 3-D Euler equations through the use of a cell centered, face-based data structure finite voluma method applied in an unstructured grid context. Time integration of the system of equations is performed using an explicit, 5-stage, Runge-Kutta scheme. Mesh refinement routines are available in the original code and they are able to handle tetrahedra, hexahedra, triangular-base prisms and square-base pyramids. The full multigrid procedure is also available in the base code to accelerate the convergence to steady state. In the present work, the author has studied possible forms of integrating the multigrid and the mesh refinement procedures, which were both originally available in the base code. The results obtained provide evaluation and comparison of the present methods with regard to oblique shock wave capturing, as well as the behavior of property values such as pressure, density and Mach number contours. Finally, the work presents a discussion on the relative characteristics of each method.