Simulação do escoamento em um motor scramjet no regime hipersônico com o software OpenFOAM

Abstract

A propulsão aspirada hipersônica com combustão supersônica (scramjet) tem sido objeto de pesquisas contínuas em muitos países. Entre as vantagens dessa tecnologia está o aproveitamento do ar ambiente para a combustão, reduzindo o peso total do veículo e aumentando sua eficiência. No entanto, qualquer forma prática de um veículo hipersônico movido a scramjet exigirá uma abordagem híbrida, uma vez que os scramjets são incapazes de produzir empuxo em baixas velocidades ou em uma atmosfera rarefeita, com um teto de aproximadamente 50 km. Com base neste cenário, o objetivo deste trabalho foi simular o escoamento hipersônico em um motor scramjet a partir de um conceito inicial previamente desenvolvido por uma abordagem semi-analítica com três rampas de compressão na entrada do motor. As simulações foram realizadas com o software CFD de código aberto OpenFOAM, e da biblioteca hyStrath, um código de dinâmica de gás hipersônico e rarefeito da Universidade de Strathclyde. A comparação entre os casos analítico e numérico - invísido e viscoso - foi realizada com o objetivo de obter um melhor entendimento das características do escoamento no modelo proposto e identificar eventuais correções na geometria das rampas de compressão de entrada e câmara de combustão. Os resultados mostraram que o modelo é válido sob a hipótese de escoamento laminar invíscido, mas não é adequadodo para escoamentos viscosos, resultando em problemas de inicialização do escoamento.

Hypersonic aspirated propulsion with supersonic combustion (scramjet) has been the subject of ongoing research in many countries. Among the advantages of this technology is the use of ambient air for combustion, reducing the total weight of the vehicle and increasing its efficiency. However, any practical form of a scramjet-powered hypersonic vehicle will require a hybrid approach, since scramjets are incapable of producing thrust at low speeds or in a rarefied atmosphere, with a ceiling of approximately 50 km. Based on this scenario, the aim of this work was to simulate hypersonic flow in a scramjet engine, starting from an initial concept previously developed using a semi-analytical approach with three compression ramps at the engine inlet. The simulations were carried out with the open source CFD software OpenFOAM, and using the hyStrath library, a hypersonic and rarefied gas dynamics code from the University of Strathclyde. The comparison between the analytical and numerical cases - inviscid and viscous - was carried out with the aim of gaining a better understanding of the flow characteristics in the proposed model and identifying any corrections to the geometry of the inlet compression ramps and combustion chamber. The results showed that the model is valid under the assumption of inviscid laminar flow, but not suitable for viscous flows, resulting in the unstart phenomena.