Previsões numéricas do escoamento bidimensional compressível turbulento em tubeiras de motor-foguete

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Américo, Carlos Eduardo, 1996-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/72416
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi
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spelling Américo, Carlos Eduardo, 1996-Bertoldo, Guilherme, 1985-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaMarchi, Carlos Henrique, 1966-2022-01-21T14:11:08Z2022-01-21T14:11:08Z2021https://hdl.handle.net/1884/72416Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique MarchiCoorientador: Prof. Dr. Guilherme BertoldoDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 10/08/2021Inclui referências: p. 143-147Área de concentração: Fenômenos de Transporte e Mecânica dos SólidosResumo: A compreensao de como o escoamento em uma tubeira de motor-foguete se desenvolve e de vital importancia para que previsoes e dimensionamentos tornem-se possiveis de serem realizados. No presente trabalho abordam-se previsoes computacionais para uma tubeira de motor-foguete, que e o dispositivo por onde gases com elevada temperatura e velocidade, oriundos da queima do propelente sao acelerados e expandidos, obtendo por este fenomeno o empuxo necessario para propulsar o veiculo. Neste trabalho, modulos e sub-rotinas para modelos de fechamento sao gerados e implementados a um codigo ja existente, chamado de Mach2D. Tais modulos e sub-rotinas sao programados em linguagem Fortran 2008, permitindo que o usuario escolha qual modelo computacional sera habilitado ao iniciar cada simulacao. Os procedimentos de verificacao de codigo atraves do metodo das solucoes fabricadas, verificacao de solucao por estimativas de erro e incertezas e validacao de resultados computacionais sao explorados, atraves de comparacoes realizadas entre resultados obtidos com o Mach2D, programas de benchmark ou comerciais, como o CFD++, e com resultados experimentais de uma tubeira instrumentada, submetida a diversas corridas de testes. Para as simulacoes computacionais foram considerados os modelos computacionais de Euler, explicito e explicitos com o modelo de fechamento Baldwin-Lomax e com o modelo Spalart-Allmaras, discretizados atraves do metodo de volumes finitos para o problema considerado bidimensional axissimetrico. As malhas utilizadas foram classificadas em duas classes, uma com distribuicao uniforme de volumes nas duas direcoes e outra com distribuicao uniforme na direcao axial e para a direcao radial, distribuicao em progressao geometrica. A razao de refino de malha foi adotada como sendo constante e igual a dois, iniciando com malhas 20x20 e refinando-as ate 640x640. As variaveis globais avaliadas, ou seja, o coeficiente de descarga e coeficiente de empuxo tiveram seus erros estimados com os estimadores GCI, convergente e MER, seus valores computacionais foram comparados aos valores experimentais e analiticos. Variaveis locais como pressao e temperatura na parede tambem tiveram seus valores avaliados e comparados com resultados experimentais e entre os programas utilizados. Os processos de mudanca de coordenadas e de discretizacao da equacao do modelo Spalart-Allmaras sao apresentados e sua implementacao, assim como as tratativas de problemas encontrados sao discutidas. Foi constatado que ao se comparar os resultados computacionais com resultados experimentais, as simulacoes para o coeficiente de descarga tiveram maior representatividade quando calculados pelo Mach2D com variacoes de ate 4,378%. Para o coeficiente de empuxo, a maior representatividade se deu com o CFD++, apresentando variacoes de ate 0,490% em relacao a solucao quase-unidimensional. Para a distribuicao de pressao nas paredes, as simulacoes tanto com o Mach2D, quanto com o CFD++ foram suficientemente representativas, o mesmo e valido para as distribuicoes de temperatura na parede ao se aplicar o modelo de Euler. Os desvios encontrados entre os valores computacionais para temperatura obtidos ao se empregar os modelos viscosos em relacao aos valores experimentais tambem sao discutidos.Abstract: ABSTRACT Understanding how the flow develops inside a rocket nozzle is extremely important for predictions and sizing. This dissertation addresses computational predictions for rocket nozzles, which are the equipment responsible for lead gases from the propellant combustion, flowing with high velocity and temperature. Gases receive compression and expansion, thrust is generated due to this effect, which is the force responsible for moving the rocket against gravity and drag components. In this study, modules and subroutines are developed and were inserted into Mach2D code. These modules are written in Fortran 2008 language and the user will be able to select a specific computational method that may or not contain some closure model. The generated codes received code verification by the method of manufactured solutions, solution verification by computational uncertainty evaluations, and solution validation through benchmark programs results and experimental data. Four different computational models were used: Euler's model; explicit model; explicit model with the Baldwin-Lomax closure model, and the explicit model with the Spalart-Allmaras closure model. They were discretized by the finite volume method for the bidimensional axisymmetric nozzle problem. Two different grid classification were used, the first one has uniform elements distribution for both directions and, the second have geometric progression grid distribution at the radial direction and uniform distribution for axial direction. Grid refinement was considered constant and equal to two for both of them since the initial grid had 20x20 elements and the last, 640x640 elements. The evaluated global parameters, discharge coefficient, and thrust coefficient had their errors evaluated with three estimators, GCI, convergent, and RRE, extrapolated computational values were compared with experimental and analytical values and also, between programs. Pressure and temperature at the wall, as local variables, were evaluated and its values were compared with analytical, computational, and experimental results. The coordinate exchange process and discretization of each term that belongs to the Spalart-Allmaras closure model were presented. Problems related to code implementation and solutions approaches were also discussed. Comparisons between computational and experimental results suggest that for the discharge coefficient, simulations performed with Mach2D code were in better agreement with experimental and quasi-one-dimensional results than CFD++, having a variance up to 4.378%. For thrust coefficient, the picture changes and CFD++ computational results were in the best fit with quasi-one-dimensional results, having a variance up to 0.490%. Pressure distribution at the wall, for both CFD++ and Mach2D, was considered sufficiently representative of experimental measurements, the same occurs for the temperature at the wall for Euler's methods. Variations for computational results with viscous models for temperature distribution at the wall were also discussed.1 arquivo (180 p.) : PDF.application/pdfTubeirasVeiculos espaciaisEngenharia MecânicaMotores de foguetesPrevisões numéricas do escoamento bidimensional compressível turbulento em tubeiras de motor-fogueteinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - CARLOS EDUARDO AMERICO.pdfapplication/pdf8450158https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/72416/1/R%20-%20D%20-%20CARLOS%20EDUARDO%20AMERICO.pdfdf35f89deb8f918d7cbf808f4c7407eaMD51open access1884/724162022-01-21 11:11:09.087open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/72416Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-01-21T14:11:09Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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