Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 24/09/2014 / Inclui referências / Resumo: Baseado em dinâmica dos fluidos computacional, o presente trabalho investigou a
otimização do desempenho de tubeiras de motores-foguete. Para resolver o sistema de
equações de conservação de massa, da quantidade de movimento linear e de energia, o código
computacional utiliza o Método de Volumes Finitos. Este método é baseado em uma formulação
adequada a qualquer regime de velocidade, arranjo co-localizado de variáveis e aproximações
de primeira ordem para os termos advectivos e segunda ordem para os termos difusivos. O
método SIMPLEC é utilizado para o acoplamento pressão-velocidade. As estimativas de erro
numérico foram calculadas utilizando-se os estimadores de Richardson, GCI e Convergente.
A validação do modelo foi obtida através de dados experimentais disponíveis na literatura e
resultados de referência foram gerados. O principal objetivo deste trabalho foi a obtenção da
geometria da tubeira que maximiza o desempenho do motor-foguete. Foram considerados
diferentes modelos matemáticos (Euler e Navier-Stokes) para escoamentos monoespécie e
congelado, bem como, diferentes condições de operação (pressão de estagnação e temperatura
de estagnação), para avaliar a influência destes modelos e condições de operação sobre a
configuração ótima de tubeiras com várias dimensões. Foi desenvolvido um algoritmo de
Evolução Diferencial para otimizar a geometria da tubeira. Como resultados, obteve-se
a geometria de uma tubeira ótima sob cada uma das condições consideradas, bem como,
a avaliação de o quanto e como cada condição afeta as características da tubeira ótima.
Mostrou-se que a inclinação ótima de uma tubeira cônica para operação no vácuo é de
aproximadamente 25 graus, que possui coeficente de empuxo de até 2,46% superior ao obtido
para a tubeira cônica de 15 graus. O ganho no desempenho obtido para tubeiras sino ficou entre
2,2 e 3,7% do desempenho da tubeira cônica de 15 graus. Verificou-se que a tubeira parabólica
otimizada possui desempenho muito próximo ao obtido para a tubeira sino otimizada, tal
diferença ficou menor do que 0,2% em todos os casos avaliados. Constatou-se que a temperatura
do gás e o modelo físico utilizado na simulação numérica são os principais fatores que
influenciam a geometria ótima das tubeiras. A geometria obtida pela metodologia proposta,
apresentou o mesmo desempenho do que a obtida pelo Método de Rao, além de permitir a
utilização de modelos mais realistas na previsão do escoamento.
Palavras-chave: Dinâmica dos Fluidos Computacional. Método de Volumes Finitos.
Propulsão. Otimização. Motores-Foguete. Estimativa de Erro Numérico. Verificação.
Validação. Benchmarks. / Abstract: Based on computational fluid dynamics, this study investigated the performance
optimization of rocket engine nozzles. To solve the system of equations of mass conservation,
linear momentum and energy, the computational code uses the finite volume method. This
method is based on a formulation suitable to any scheme of speed, co-located arrangement
of variables and first-order approximations for the advection terms and second order for the
diffusive terms. The SIMPLEC method is used for the pressure-velocity coupling. The
numerical error estimates were calculated by using the estimators Richardson, GCI and
Convergent. Model validation was obtained by experimental data available in the literature
and reference results were generated. The main object of this work was to obtain the nozzle
geometry that maximizes the performance of the rocket engine. Different mathematical models
(Euler and Navier-Stokes) for frozen and monospecies flows were considered, as well as
different operating conditions (stagnation pressure and stagnation temperature), in evaluating
the influence of such models and operating conditions on the optimum configuration nozzles
with various dimensions. An algorithm of Differential Evolution was developed to optimize
the geometry of the nozzle. As a result, we obtained the optimal geometry of a nozzle under
each of the conditions considered, as well the evaluation of how much and how each condition
affects the characteristics of the optimal nozzle. Results have shown that the optimal inclination
of a conical nozzle for operation in vacuum is approximately 25 degrees, which has thrust
coefficient, up to 2.46% higher than for the 15 degree conical nozzle. The gain in performance
obtained for bell nozzles were between 2.2 and 3.7% of the performance of the 15 degree conical
nozzle. It has been found that the optimized parabolic nozzle performance is very close to that
obtained for the optimized nozzle bell; the difference was less than 0.2% in the performance
of all cases evaluated. It has also been found that the gas temperature and the physical model
used in the numerical simulation are the main factors that influence the optimal geometry of
the nozzles. Geometry obtained by the proposed methodology showed the same performance
than that obtained by the method of Rao, besides allowing the use of more realistic models in
predicting of flow.
Keywords: Computational Fluid Dynamics. Finite Volume Method. Propulsion.
Optimization. Rocket engines. Numerical Error Estimation. Verification. Validation.
Benchmarks.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/37005 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Radtke, Jonas Joacir |
| Contributors | Marchi, Carlos Henrique, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 119f. : il. algumas color., grafs., tabs., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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