Em turbinas a gás, aumentos de potência específica e redução do consumo específico de combustível podem ser conseguidos aumentando a temperatura de entrada da turbina (TET). Altas TET podem implicar em economia significativa de combustível que se traduz em milhares de dólares por ano. Isso justifica os investimentos destinados ao desenvolvimento de novas ligas resistentes à alta temperatura e em melhores sistemas de resfriamento. Através dos anos, a TET saltou de cerca de 1200 K no início dos anos 60 para patamares mais altos como os atuais 1850 K. O resfriamento por filme é uma técnica complexa que depende da interação entre o escoamento principal mais quente e o jato de resfriamento. Um parâmetro, a eficiência de resfriamento, é utilizado como medida do quanto o jato de resfriamento é misturado ao escoamento principal variando de 1, perto do furo de resfriamento, e 0 a jusante dele. A eficiência depende de um grande número de parâmetros, sendo a maioria deles associados a topologia do jato em um escoamento cruzado. O jato ao sair de uma parede encontra o escoamento principal sendo dobrado na direção do fluxo dando origem a um par de vórtices contra-rotativos que bombeiam fluido de baixa temperatura para longe da parede arrastando fluido do escoamento principal de alta temperatura para junto dela. A maior parte das pesquisas em configurações de resfriamento concentram-se nos meios de reduzir o desenvolvimento destes vórtices contra-rotativos através do emprego de técnicas como trincheiras, furos de formato difusor, furos irmãos e esquemas antivórtice. A presente investigação é baseada em pesquisas anteriores e traz uma nova proposta de furo antivórtice. O sistema constituído por dois furos alinhados com o fluxo principal é investigado a fim de avaliar os efeitos de suas interações com a distribuição de temperatura a jusante. O desenvolvimento dos vórtices contra-rotativos no furo a montante irá alterar o campo do escoamento devido ao furo a jusante, que pode ter um efeito adverso sobre a eficiência do filme de resfriamento. Fileiras de furos são utilizadas para proporcionar um aumento do resfriamento em regiões específicas e a presente investigação aborda questões como qual será o campo do escoamento resultante, bem como a capacidade de resfriamento quando tal configuração é empregada. Ela consiste em posicionar um furo auxiliar de resfriamento a frente do furo principal com metade de sua área. A massa total de um caso de referência com um furo de resfriamento é redistribuída em diferentes combinações de proporção por ambos os furos (auxiliar e principal). Também são investigados o impacto dos ângulos de injeção dos furos de resfriamento na eficiência do filme. Simulações numéricas são efetuadas utilizando-se o programa livre baseado no método de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações de Navier-Stokes com médias de Favre tridimensionais juntamente com o modelo de turbulência k-? SST para fechar o sistema de equações. Os resultados mostram que o uso de um furo auxiliar de resfriamento apresentou um resultado significativo quando comparado ao caso de um único furo, indicando que a técnica pode ser muito útil quando necessita-se de uma melhor proteção em locais específicos da pá.

O presente estudo apresenta uma metodologia de análise do sistema de resfriamento de um motor foguete a propelente líquido e os resultados de uma investigação de um método de resfriamento largamente utilizado em câmaras de combustão, denominado filme de resfriamento ou film cooling, aplicado a um motor de 75 kN de empuxo que utiliza como propelentes oxigênio líquido e querosene. Partindo de um motor cujo filme de resfriamento é formado através da aspersão de combustível dos injetores posicionados na periferia do sistema de injeção, foram analisados experimentalmente dois casos: o primeiro assume que 50% do líquido aspergido pelos injetores periféricos participa da formação do filme de resfriamento; o segundo considera o filme formado apenas pelo líquido que escoa pela parede interna da câmara de combustão. Com a análise dos resultados obtidos de ensaios a frio utilizando o sistema de injeção de um motor modelo em desenvolvimento no IAE (motor L15) realizou-se a validação dos dados teóricos provenientes de cálculos e recomendações fornecidas por especialistas do Moscow Aviation Institute - MAI e também o refinamento dos valores para a aplicação nos motores em desenvolvimento do IAE. O parâmetro utilizado para validação e refinamento dos dados teóricos foi a penetração do filme de resfriamento, pois esse parâmetro é de suma importância para que se obtenha uma proteção térmica eficiente internamente à câmara de combustão. Os ensaios a frio confirmaram uma penetração suficiente do filme de resfriamento para o comprimento da câmara de combustão do motor estudado.

Esta dissertação apresenta dois algoritmos para solução de problemas inversos de convecção de calor (PICC): O Método do Gradiente Conjugado Ordinário (MGCO) e o Método do Gradiente Conjugado e Problema Adjunto (MGCPA). O intuito é caracterizar estas técnicas para emprego como ferramenta de projeto durante o desenvolvimento térmico de Câmaras de Combustão de Motores Foguete a Propelente Líquido (MFPL). As ferramentas aqui apresentadas são adequadas para realizar investigações ligadas aos sistemas de refrigeração internos, como Filme de Refrigeração e a Camada de Parede, assim como fundamentar o dimensionamento dos canais de refrigeração externos da Jaqueta de Refrigeração. Os métodos foram submetidos a testes numéricos para análise de incerteza de solução sob influência do Número de Fourier, da incerteza na estimativa das condições de contorno externas, da grandeza do fluxo de calor estimado e da presença de ruído no histórico de temperatura experimental. Ao final é apresentado um experimento onde as técnicas são aplicadas na estimativa da temperatura de parede e fluxo de calor na superfície de fogo de uma placa de cobre aquecida por uma tocha de butano. Também é sugerida e testada uma configuração de termopar com alta velocidade de resposta. As análises feitas mostraram que, uma vez preenchidos requisitos experimentais estabelecidos nesse trabalho, a incerteza da solução inversa obtida por ambas as técnicas se mantém inferior a 5%.