VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DE SOLUÇÕES NUMÉRICAS DE ESCOAMENTOS EM TUBEIRAS DE MOTORES-FOGUETE
Aluno de Iniciação Científica: Diego Fernando Moro (PIBIC/CNPq)
Curso: Engenharia Mecânica
Orientador: Carlos Henrique Marchi
Colaborador: Guilherme Bertoldo, Luciano Kiyoshi Araki
Departamento: Mecânica
Setor: Tecnologia
Palavras-chave: motor-foguete , CFD , validação
Área de Conhecimento: 31205020 - PROPULSÃO DE FOGUTES
Neste trabalho, simulações numéricas são comparadas a resultados experimentais e analíticos. O programa utilizado é o Mach2D 5.8 cujas principais características são as seguintes: utiliza o método dos volumes finitos; esquemas de primeira e segunda ordens de acurácia; permite resolver escoamentos em qualquer regime de velocidade; escrito na linguagem Fortran; emprega sistema de coordenadas não-ortogonais de base cartesiana ou axissimétrica; contém vários modelos físicos e químicos. Neste trabalho, o Mach2D é usado para resolver escoamentos dentro de bocais do tipo convergente-divergente (tubeiras), que são empregados em motores-foguete. O escoamento foi simulado com três modelos físicos: invíscido, laminar e turbulento. Os resultados experimentais utilizados são de 1965, de uma equipe do JPL (Jet Propulsion Laboratory) da NASA (National Aeronautics and Space Administration). A tubeira tem diâmetro na garganta de 40,64 mm, e razão de compressão e expansão de áreas de 9,76 e 6,63, respectivamente. As condições de operação são: temperatura de 833 K, pressão de estagnação de 17,25 bar. O fluido é o ar com razão entre os calores específicos de 1,4. Os dados experimentais são medidas de pressão em 20 pontos na tubeira. Mesmo na malha mais grossa, 56x20 volumes (nas direçções z e r, respectivamente), para escoamento invíscido, o erro máximo da solução numérica em relação ao resultado experimental foi de aproximadamente 9%. Este erro diminuiu com o aumento da malha e com o uso dos modelos laminar e turbulento. A malha mais refinada foi de 1792x640 volumes (no modelo invíscido); neste caso o erro máximo foi de aproximadamente 0,7%. Para diminuir o erro de discretização das soluções numéricas, utilizou-se: (1) múltiplas extrapolações de Richardson (MER); e (2) interpolações linear e de ordem 10. Outra comparação realizada foi entre o coeficiente de descarga (Cd) numérico e o analítico de Kliegel e Levine: a solução numérica se aproxima da solução analítica com o aumento da malha. O intervalo de valores obtidos para o Cd está entre 1,04704 e 0,98135 (para as malhas mais grossa e mais fina, respectivamente), sendo a resposta analítica 0,98165. Além dos resultados já citados, o programa gera também resultados do empuxo do motor, velocidade característica, impulso específico, entre outros. Conclui-se que, para a precisão dos dados experimentais, o programa é confiável.