Análise numérica da performance aerodinâmica do motor-foguete S-30 acoplado a um demonstrador scramjet
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRN |
Texto Completo: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/44792 |
Resumo: | Este trabalho investigou o efeito do acoplamento de um demonstrador scramjet no motor-foguete brasileiro S-30 em termos de uma investigação numérica do escoamento em torno da sua fuselagem. Aspectos locais do escoamento, bem como a comparação dos parâmetros da performance aerodinâmica, como pressão e arrasto de fricção, foram considerados para casos com e sem o demonstrador scramjet acoplado. O motor-foguete com a geometria scramjet acoplada foi selecionado para condições operacionais de voo correspondentes a um número Mach de 5,79 e uma altitude de 20 km. Um conjunto de simulações RANS 2D foi realizado, utilizando o Ansys FLUENT, para investigar o escoamento sobre ambas as configurações. Dados experimentais obtidos na literatura para o voo do S-30 foram usados para impor as condições de contorno necessárias. A fim de obter a curva de arrasto para o caso do scramjet acoplado ao motor S-30, simulações numéricas foram realizadas para vários pontos ao longo da trajetória do motor-foguete. As simulações foram capazes de capturar as ondas de choque oblíquas planar e cônicas teoricamente esperadas, assim como as ondas de expansão que normalmente ocorrem para um escoamento hipersônico em tais geometrias. Entre outros fenômenos, observou-se o surgimento de zonas de recirculação e instabilidades do escoamento devido às interações da camada limite com as ondas de choque. Finalmente, como resultado do acoplamento do demonstrador scramjet ao motor-foguete S-30, os resultados mostraram um aumento no arrasto total de cerca de 45,25% para o ponto de projeto. Com base nestas simulações, a curva de arrasto total foi determinada para ambas as geometrias analisadas. Foi observado uma diminuição do coeficiente de arrasto médio ao longo da trajetória. Usando uma análise simplificada de dinâmica de voo, a comparação entre as trajetórias calculadas mostrou desvios na condição de teste de cerca de 2% para a altitude e de 0,15% para a velocidade do escoamento. |
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Aspectos locais do escoamento, bem como a comparação dos parâmetros da performance aerodinâmica, como pressão e arrasto de fricção, foram considerados para casos com e sem o demonstrador scramjet acoplado. O motor-foguete com a geometria scramjet acoplada foi selecionado para condições operacionais de voo correspondentes a um número Mach de 5,79 e uma altitude de 20 km. Um conjunto de simulações RANS 2D foi realizado, utilizando o Ansys FLUENT, para investigar o escoamento sobre ambas as configurações. Dados experimentais obtidos na literatura para o voo do S-30 foram usados para impor as condições de contorno necessárias. A fim de obter a curva de arrasto para o caso do scramjet acoplado ao motor S-30, simulações numéricas foram realizadas para vários pontos ao longo da trajetória do motor-foguete. As simulações foram capazes de capturar as ondas de choque oblíquas planar e cônicas teoricamente esperadas, assim como as ondas de expansão que normalmente ocorrem para um escoamento hipersônico em tais geometrias. Entre outros fenômenos, observou-se o surgimento de zonas de recirculação e instabilidades do escoamento devido às interações da camada limite com as ondas de choque. Finalmente, como resultado do acoplamento do demonstrador scramjet ao motor-foguete S-30, os resultados mostraram um aumento no arrasto total de cerca de 45,25% para o ponto de projeto. Com base nestas simulações, a curva de arrasto total foi determinada para ambas as geometrias analisadas. Foi observado uma diminuição do coeficiente de arrasto médio ao longo da trajetória. Usando uma análise simplificada de dinâmica de voo, a comparação entre as trajetórias calculadas mostrou desvios na condição de teste de cerca de 2% para a altitude e de 0,15% para a velocidade do escoamento.This work investigates the effect of the coupling of a scramjet demonstrator in the Brazilian S-30 rocket engine in terms of a numerical investigation of the flow around its fuselage geometry. Local aspects of the flow and the comparison of global flow parameters, such as the pressure and friction drag, were considered for cases with and without the coupled scramjet demonstrator. The rocket engine with the attached scramjet geometry was selected for operational flight conditions corresponding to a Mach number of 5.79 and an altitude of 20 km. A set of 2D RANS simulations were performed, using the Ansys FLUENT software, to investigate the flow dynamics of both configurations. Experimental data obtained from the literature for the S-30 flight was used to impose the required inlet boundary conditions. In order to obtain the drag curve for the case of the scramjet coupled to the S-30 vehicle, numerical simulations were performed for several points along the trajectory of the rocket engine, e.g., before and after the scramjet operational point. The simulations were able to capture the theoretically expected planar and conical oblique shock and the expansion waves that usually occur for a hypersonic flow in such geometries. For instance, the emergence of recirculation zones and flow instabilities due to the shock-wave boundary-layer interactions. Finally, as a result of the attachment of the scramjet demonstrator to the S-30 rocket engine, the results show an increase in the total drag of about 45.25% in the region of the trajectory where the scramjet becomes fully operational. Based on these simulations, the total drag curve was determined for both geometries. A decrease of the average drag coefficient along the trajectory was observed. Using a simple flight dynamic analysis, the trajectory expected for each case was determined. The comparison between the trajectories for both cases shows a small but nonnegligible deviation of about 2% for the altitude and 0,15% for the flow velocity.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESUniversidade Federal do Rio Grande do NortePROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICAUFRNBrasilScramjetS-30Escoamento hipersônicoArrasto aerodinâmicoDinâmica de vooAnálise numérica da performance aerodinâmica do motor-foguete S-30 acoplado a um demonstrador scramjetNumerical analysis of the aerodynamic performance of the S-30 rocket engine coupled to a scramjet demonstratorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALAnalisenumericaperformance_Maia_2021.pdfapplication/pdf17636911https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/44792/1/Analisenumericaperformance_Maia_2021.pdf94d6543eb4240bd3fbe8cee34381173aMD51123456789/447922022-05-02 12:33:28.474oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/44792Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2022-05-02T15:33:28Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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