A condição ótima de funcionamento de uma tubeira em um motor foguete com escoamento isentrópico, implica que a velocidade na garganta (seção de menor área) seja equivalente à velocidade do som local, condição de Mach 1 e bocal engasgado. Pode-se alcançar essa condição reduzindo a área da seção do escoamento até a área crítica, velocidade sônica. Após a garganta acontece a expansão e se alcança velocidades supersônicas no divergente. Para manter a condição de Mach 1 na garganta em motores foguetes, trabalha-se com pressões superiores à necessária para se engasgar o bocal. Isto ocorre porque tenta-se compensar instabilidades ou variações de volumes produzidos na combustão ou queima. Usando uma pressão de trabalho maior, impõe-se que a condição de Mach 1 fique mantida durante toda a queima do combustível, isso implica em usar tubos mais resistentes à pressão e maior massa do tubo-motor. Observou-se experimentalmente que em algumas situações construtivas se podem modificar a pressão e temperatura necessárias para engasgar o bocal aumentando o comprimento da garganta. O comprimento do estrangulamento pode estabelecer uma condição para formação e evolução da camada limite e esta condição restringir a área nominal, modificando o regime do escoamento. Um equipamento especialmente desenvolvido para esse ensaio compara resultados de cinco modelos de motores, divididos em dois grupos, cada grupo com áreas de entrada, garganta e saída iguais, porém com comprimentos diferentes de garganta. Em análise experimental, observou-se que a pressão de trabalho e a temperatura são influenciadas pelo comprimento da garganta, interferindo na relação entre as pressões internas e de garganta e apresentando condições de engasgamento mensuráveis. Essas medidas foram conduzidas no presente estudo de doutorado. / The optimum operational condition of a rocket motor nozzle with isentropic flow implies that the velocity at the throat (the section with smallest area) is equivalent to the speed of the local sound. This speed is also called Mach 1 and it is said that at this condition the nozzle is choking. One can achieve this condition by reducing the cross-sectional area of the flow to the critical area resulting in a sonic speed. Beyond the nozzle throat, in the divergent section of the motor, flow expansion occurs and reaches supersonic speeds. To maintain the condition of Mach 1 at the throat, higher pressures than the one necessary to choke the nozzle are applied. This practice is done in order to compensate for jitter or variations of volumes produced in the combustion process. Using a higher operating pressure guarantees that a Mach 1 speed is maintained throughout the combustion process. Consequently, due to this higher operating pressure, more resistant tubes are needed to withstand this higher pressure and an increase in the motor weight is inevitable. It was observed experimentally that some constructional modifications of the motor can alter the pressure and temperature required for choking. This was noted with increasing the bottleneck length of the nozzle throat which was able to establish a condition for the formation and evolution of the boundary layer, restricting the nominal area and thus modifying the flow regime. In this study, the results of five engine models are compared using a specially designed equipment. The rockets were divided into two groups, each with equal inlet, throat, and exit areas, but having different throat lengths. In experimental analysis, it was observed that the working pressure and temperature are influenced by the length of the throat, interfering in the relationship between the internal pressures and throat presenting measurable choking conditions which were conducted in this doctorate thesis study.

A condição ótima de funcionamento de uma tubeira em um motor foguete com escoamento isentrópico, implica que a velocidade na garganta (seção de menor área) seja equivalente à velocidade do som local, condição de Mach 1 e bocal engasgado. Pode-se alcançar essa condição reduzindo a área da seção do escoamento até a área crítica, velocidade sônica. Após a garganta acontece a expansão e se alcança velocidades supersônicas no divergente. Para manter a condição de Mach 1 na garganta em motores foguetes, trabalha-se com pressões superiores à necessária para se engasgar o bocal. Isto ocorre porque tenta-se compensar instabilidades ou variações de volumes produzidos na combustão ou queima. Usando uma pressão de trabalho maior, impõe-se que a condição de Mach 1 fique mantida durante toda a queima do combustível, isso implica em usar tubos mais resistentes à pressão e maior massa do tubo-motor. Observou-se experimentalmente que em algumas situações construtivas se podem modificar a pressão e temperatura necessárias para engasgar o bocal aumentando o comprimento da garganta. O comprimento do estrangulamento pode estabelecer uma condição para formação e evolução da camada limite e esta condição restringir a área nominal, modificando o regime do escoamento. Um equipamento especialmente desenvolvido para esse ensaio compara resultados de cinco modelos de motores, divididos em dois grupos, cada grupo com áreas de entrada, garganta e saída iguais, porém com comprimentos diferentes de garganta. Em análise experimental, observou-se que a pressão de trabalho e a temperatura são influenciadas pelo comprimento da garganta, interferindo na relação entre as pressões internas e de garganta e apresentando condições de engasgamento mensuráveis. Essas medidas foram conduzidas no presente estudo de doutorado. / The optimum operational condition of a rocket motor nozzle with isentropic flow implies that the velocity at the throat (the section with smallest area) is equivalent to the speed of the local sound. This speed is also called Mach 1 and it is said that at this condition the nozzle is choking. One can achieve this condition by reducing the cross-sectional area of the flow to the critical area resulting in a sonic speed. Beyond the nozzle throat, in the divergent section of the motor, flow expansion occurs and reaches supersonic speeds. To maintain the condition of Mach 1 at the throat, higher pressures than the one necessary to choke the nozzle are applied. This practice is done in order to compensate for jitter or variations of volumes produced in the combustion process. Using a higher operating pressure guarantees that a Mach 1 speed is maintained throughout the combustion process. Consequently, due to this higher operating pressure, more resistant tubes are needed to withstand this higher pressure and an increase in the motor weight is inevitable. It was observed experimentally that some constructional modifications of the motor can alter the pressure and temperature required for choking. This was noted with increasing the bottleneck length of the nozzle throat which was able to establish a condition for the formation and evolution of the boundary layer, restricting the nominal area and thus modifying the flow regime. In this study, the results of five engine models are compared using a specially designed equipment. The rockets were divided into two groups, each with equal inlet, throat, and exit areas, but having different throat lengths. In experimental analysis, it was observed that the working pressure and temperature are influenced by the length of the throat, interfering in the relationship between the internal pressures and throat presenting measurable choking conditions which were conducted in this doctorate thesis study.

Muitos processos industriais utilizam dutos de transporte de fluidos, os quais existem normas para a aferição da velocidade. O dispositivo ideal de medida seria o bocal de Venturi, contudo o método mais comumente utilizado de medição é a placa de orifício. O bocal convergente se mostra mais eficaz, quando comparado à placa de orifício, devido ao fato de não apresentar recirculação na entrada do bocal, além de que bocais convergentes podem efetuar medidas 55% maiores na vazão, usando o mesmo coeficiente beta (r?R) e o diferencial de pressão da placa de orifício. Outra vantagem deste bocal é o menor comprimento, quando comparado ao bocal de Venturi. Geralmente, no ambiente fabril, os fluidos nos dutos se apresentam turbulentos, por ter restrições no escoamento, ao longo da tubulação, assim podem causar diferenças na medição da vazão por gerar turbulências no escoamento da entrada, distintos das especificações da norma. Neste contexto, o presente trabalho demonstra os efeitos de rotação em fluidos no bocal de entrada presente no medidor de vazão do tipo convergente, utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics). Dessa forma, serão resolvidas as equações governantes (massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência), usando, para isso, o método de volumes finitos. Logo, o acoplamento entre os campos de pressão e velocidade são estabelecidos aplicando o algorítimo SIMPLE. Inicialmente, um estudo de refinamento de malha será realizado para a determinação do coeficiente de descarga em um escoamento sem rotação na entrada do bocal. A comparação entre os resultados do coeficiente de descarga para bocais convergentes apresentados na norma ISO 5167-3 e os resultados numéricos para o mesmo bocal, é realizada e obtiveram boa correlação na faixa de 3% de desvio. Em seguida, o estudo do decaimento do Swirl ao longo de um duto liso e de um duto com bocal convergente é levantado e os resultados mostraram que o decaimento está mais associado com a velocidade axial (Reynolds) do escoamento do que da rotação imposta ao fluido.

Este trabalho é focado no modelo dinâmico de um servomecanismo hidromecânico com comando elétrico aplicado no sistema de controle de atitude de vôo do veículo lançador de satélite (VLS). No presente sistema, a tubeira é fixada ao corpo do motor por uma interface elástica permitindo movimentos angulares da tubeira em duas direções ortogonais. O movimento angular da tubeira é atuado por um servo-posicionador eletro-hidráulico com realimentação mecânica direta entre a saída do pistão e a eletroválvula bocal-palheta. A válvula bocal-palheta é atuada por um motor linear de relutância variável, controlado por um sinal elétrico enviado pelo computador de bordo de controle de vôo do foguete. Um modelo dinâmico do servo posicionador eletrohidraúlico completo é proposto nesse trabalho. Alguns parâmetros do modelo foram obtidos por processo de identificação em malha fechada no domínio do tempo, usando a abordagem indireta. Os dados para o processo de identificação foram obtidos de montagem experimental, também apresentada nesse trabalho. A validação do modelo é obtida pela comparação com a resposta do sistema real.

Since the 50's, with the appearance of the turbojet engines, the jet noise is being exhaustively studied, because it is one of the most important source of aircraft noise. Many attempts have been made to reduce the jet noise, including higher by-pass turbofan engines. Chevron nozzles also have been used by the industry to try to reduce the jet noise with a low performance and weight penalty. This work shows a computation procedure to assess how this noise suppression devices impact on both fluid dynamics and acoustics of single isothermal jets. Towards this goal, different chevron nozzles, with 6, 8 and 12 lobes have been analyzed. The calculation procedure is based on a Reynolds Average Navier-Stokes calculation, followed by a stochastic noise generation and radiation method, resulting in a relatively fast noise calculation procedure. The simulations have been carried out using the commercial software CFD++. The calculation procedure has predicted the expected fluid dynamic and acoustic behavior for chevron nozzles, e.g., shortening the potential core length, high frequency noise increase and low frequency noise attenuation. The parametric study of the number of lobes has shown that this parameter impacts the mixing region. Moreover, varying this parameter is a way to attain different low frequency reductions, without great impacts on the highest frequencies. Although the procedure did not capture correctly the absolute values of the acoustic response, the results show that this relatively simple and quick analysis reproduced important parameters in designing new nozzles and can be used as a way to better understand the influence of chevrons.

Uma metodologia para Determinação de Tração em Vôo é apresentada. Trata-se de uma variação do Método do Erro Residual, um dos métodos de Análise do Escoamento/Bocal apresentados no documento SAE AIR 1703A. Na medida em que o valor de tração não é uma medida direta, o método procura minimizar os desvios do resultado dos cálculos, que levam em considerações medições nos bocais do motor, em relação ao valor real. Para isso, são utilizados ensaios em solo, em que se comparam resultados calculados e medidos em bancada. O resultado dessa comparação é um escalar, o FPC, aplicado à razão de pressão no Fan de modo a minimizar os erros de vazão mássica e de tração líquida em relação aos valores calculados. Para cada razão de pressão no Fan (FPR) é obtido um FPC a partir da minimização de uma função que considera o erro residual de tração e vazão em solo. A metodologia apresentada propõe o uso de diferentes pesos para os desvios de tração e vazão. O procedimento é implementado através de rotinas em VISUAL BASIC, no ambiente do MICROSOFT EXCEL. Tais rotinas são usadas com dados de ensaios em vôo e em solo para dois motores de mesmo modelo usados na aviação comercial. Inicialmente, os dados de ensaios são utilizados para a determinação de dados de FPC e tração e vazão em vôo. É possível verificar a repetibilidade do método e a variação da tração líquida com parâmetros como rotação do Fan, altitude e Mach. Em seguida, analisa-se a variação dos pesos da tração e da vazão na determinação de FPC e nos valores finais de tração líquida e vazão mássica. Com esses dados, verifica-se a sensibilidade dos erros residuais para o ensaio em solo e a variação dos valores finais de tração e vazão em relação aos valores de pesos. Finalmente, são feitas considerações sobre o uso da metodologia proposta em uma campanha de ensaios em vôo.