Análise numérica de parâmetros de projeto para bocal supersônico utilizado em aplicações aeroespaciais.

Abstract

O presente trabalho investigou a construção de uma metodologia para o dimensionamento da seção divergente de bocais supersônicos utilizando perfis cônico e sino com base no desempenho a ser desenvolvido pelo sistema propulsivo. Para isso, foram realizadas duas abordagens numéricas considerando o escoamento dentro do bocal invíscido, isentrópico e compressível. A primeira utilizou a teoria clássica de equacionamento quase-unidimensional corrigida por coeficientes experimentais e a segunda foi desenvolvida utilizando um modelo bidimensional onde o cálculo do escoamento foi realizado integralmente através do Método de Volumes Finitos (MVF). A teoria clássica é recomendada por muitos autores por determinar com acurácia os parâmetros geométricos de bocais supersônicos com base no empuxo requerido a ser produzido, porém, esta abordagem não consegue estimar o comportamento do escoamento dentro do bocal que é diferente para cada tipo de perfil utilizado na seção divergente do mesmo. Por outro lado, o MVF permite interpretar o comportamento do escoamento para os diferentes perfis que foram analisados, por ser um método numérico que transforma as equações diferenciais em algébricas através da ideia física da conservação das propriedades em nível de volumes elementares e por resolver o sistema de equações que governam o escoamento com uma abordagem mais conservativa. A função de interpolação espacial adotada para calcular as propriedades em cada célula do volume de controle e em suas interfaces utilizou um modelo robusto de Upwind de segunda ordem onde os resultados foram obtidos após o escoamento estar em regime permanente. A comparação entre as abordagens numéricas permitiu realizar a verificação da metodologia proposta, e para realizar a validação da mesma, foram utilizados os dados dos testes de qualificação do motor bipropelente de 200 N desenvolvido e qualificado pelo departamento de Engenharia e Tecnologia Espacial (ETE) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em duas diferentes configurações.

The present work investigated the construction of a methodology for design the divergent section of supersonic nozzles using conical and bell profiles based on the performance to be developed by the propulsive system. In this regard, two numerical approaches were performed considering the flow inside the nozzle is inviscid, isentropic and compressible. The first approach used the classical theory of quasi-onedimensional equation corrected by experimental coefficients and the second was developed using a two-dimensional model, where the flow calculation was performed integrally through the Finite Volume Method (FVM). The classical theory is recommended by many authors to determinate with accuracy the geometric parameters of supersonic nozzles based on the required thrust to be produced, however, this approach cannot estimate the flow behavior inside the nozzle that is different for each type of profile used in the divergent section. On the other hand, the FVM allows to interpret the behavior of the flow for the different profiles analyzed, because it is a numerical method that transforms the differential equations in algebras through the physical idea of the conservation of the properties in a level of elementary volumes and by solving the system of equations that govern the flow with a more conservative approach. The spatial interpolation function used to calculate the properties in each cell of the control volume and in its interfaces used a robust secondorder Upwind model, the results were obtained after the flow was in a permanent regime. The comparison between the numerical approaches allowed to perform the verification of the proposed methodology, and to carry out the validation, the data tests of the 200 N bipropellant engine developed and qualified by the Department of Spatial Engineering and Technology of the National Institute for Space Research were used in two different configurations.