Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/09/2014 / Inclui referências / Resumo: Motores-foguete são propulsores com alta taxa de consumo de propelentes. Em
veículos lançadores o peso de propelente fica geralmente na faixa de 80% a 90% de
seu peso total. Aumentar a carga útil significa a necessidade de mais propelente,
mais estrutura, e maior peso do veículo. Essa restrição justifica trabalhos para
melhorar o desempenho do motor-foguete, sendo uma vertente deles o
desenvolvimento de tubeiras mais eficientes. A literatura é extensa nas formas de
obter um perfil divergente da tubeira que gere empuxo máximo, ou ainda a avaliação
da influência do raio de curvatura da garganta, entre outros, porém poucos são os
trabalhos que analisam o efeito da seção convergente na geração de empuxo. Neste
trabalho é feita uma avaliação numérica da influência da seção convergente sobre o
coeficiente de empuxo, o impulso específico, e o coeficiente de descarga de uma
tubeira operando no vácuo. Para validação da solução numérica são utilizadas duas
tubeiras cujos resultados experimentais estão disponíveis na literatura. As
geometrias do convergente testadas são de tubeiras que têm os mesmos raios de
garganta e de curvatura da garganta na região do divergente, além do mesmo
comprimento do divergente e mesmas razões de áreas, tanto na entrada quanto na
saída da tubeira. O fluido utilizado é o ar, modelado como gás termicamente perfeito,
mas caloricamente imperfeito. O modelo físico considera a solução das equações de
Euler com paredes adiabáticas. O perfil é axissimétrico em coordenadas
generalizadas e a malha gerada na discretização é estruturada. O método dos
volumes finitos é usado para discretização das equações que representam o
fenômeno. A aproximação para termos advectivos é de primeira ordem e de
segunda ordem para os termos difusivos e de pressão. O regime é permanente. As
soluções numéricas mostram que a geometria do convergente pode variar em até
2,5% os coeficientes de empuxo e de descarga, com pouca variação do impulso
específico. O raio de curvatura na garganta na parte do convergente é o fator de
maior impacto no empuxo, seguido da inclinação do convergente. Já o raio de
curvatura na transição da câmara de combustão/plenum para o convergente tem
efeito pouco significativo.
Palavras-chave: Bocal convergente-divergente. Tubeira. Verificação. Validação.
Dinâmica dos fluidos computacional (CFD). / Abstract: Rocket engines are propellers with high consumption rates of propellants. In
launch vehicle the weight of propellant is generally in the range of 80% to 90% of its
total weight. Heavy payloads require more propellant mass which means more
structure and larger total vehicle weight. This motivates researches to improve the
performance of rocket engines, and the development of high performance nozzles.
The literature is extensive on methods to obtain divergent nozzle profile to generate
maximum thrust, or the evaluation of the influence of the radius of curvature at the
throat, among others. However there are relatively few studies about the effect of the
convergent section of a nozzle to generate high thrust. This work numerically
evaluates the influence of the convergent section on the coefficient of thrust, specific
impulse, and the discharge coefficient of nozzle operating in a vacuum. Two nozzles
are used to validate the numerical solution, which experimental results are available
in the literature. The geometry of the convergent tested are part of nozzles who have
the same throat radius and radius of curvature at the throat in the divergent region,
same divergent section length and same area ratio at the inlet and at outlet of the
nozzle. The fluid used is air, modeled as thermally perfect, but calorically imperfect.
The physical model considers the solution of the Euler equations and adiabatic walls.
The profile is axisymmetric in generalized coordinates and the mesh generated in the
discretization is structured. The finite volume method is used for discretization of the
equations that represent the phenomenon. The approach to convective terms is first
order and second order for the diffusive terms and pressure. The regime is steady.
The numerical solutions show that the geometry of the convergent may vary by up to
2.5% coefficients of thrust and discharge, with little variation in specific impulse. The
radius of curvature at the throat of the convergent is the biggest factor in thrust,
followed by the slope of the convergent. The radius of curvature at the transition from
the combustion chamber / plenum to convergent has little significant effect.
Key-words: Convergent Divergent Nozzle. Nozzle. Verification. Validation.
Computational Fluid Dynamics (CFD).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/36929 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Germer, Eduardo Matos |
| Contributors | Marchi, Carlos Henrique, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 205f. : 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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