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Título: Métodos numéricos para a dinâmica de gases e escoamentos magnetohidrodinâmicos a números de Mach arbitrários : aplicações em tubeiras magnetoplasmadinâmicas
Autor: Xisto, Carlos Manuel Cipriano
Orientador: Marques, José Carlos Páscoa
Oliveira, Paulo Jorge dos Santos Pimentel de
Palavras-chave: Dinâmica de gases - Métodos numéricos
Magnetohidrodinâmica (MHD)
Magnetohidrodinâmica (MHD) - Escoamento compressível
Número de Mach arbitrário
Tubeira magnetoplasmadinâmica - Aplicações
Data de Defesa: 2014
Resumo: A magnetohidrodinâmica (MHD) é a área cientí ca que se dedica ao estudo da interação de um uido condutor em movimento com um ou vários campos magnéticos. Fenómenos desta natureza são extremamente comuns no campo da astrofísica, sabendo-se que grande parte dos efeitos observados na dinâmica dos plasmas resulta da interação do escoamento com campos elétricos e/ou magnéticos. Outro campo de aplicação da ciência da MHD diz respeito à análise de sistemas de propulsão elétrica, mais concretamente na modelação de tubeiras magnetoplasmadin âmicas (MPD). Os sistemas MPD utilizam a força de Lorentz como principal mecanismo de aceleração, o que lhes permite obter velocidades de escape extremamente elevadas para uma pequena massa de gás propelente. Uma forma de analisar este tipo de escoamentos é através de ferramentas numéricas baseadas nas equações que governam o escoamento MHD. O trabalho que aqui vai ser exposto pode dividir-se em duas partes. Na primeira é elaborado um método numérico e caz para resolver as equações de Euler, que apresenta algumas novidades relativamente aos métodos existentes sendo capaz de calcular escoamentos a número de Mach arbitrário. Este método é baseado no algoritmo PISO e utiliza o esquema AUSM+ up para o cálculo dos uxos convectivos. É apresentada uma explicação pormenorizada sobre as bases deste método, onde vai ser demonstrado que é possível adaptar o esquema AUSM de forma a este ser integrado num algoritmo baseado na equação da pressão. Vai também ser acrescentado e testado no código em uso o esquema de interpolação de alta resolução CUBISTA. Para validar o código proposto são apresentados resultados para uma tubeira axissimétrica a operar em vários regimes de número de Mach. O caso de teste seguinte compreende um túnel com um obstáculo de secção circular cujo escoamento será abordado nos três regimes de esc. subsónico, transónico e supersónico. Esta primeira parte do trabalho é encerrada com o cálculo de um escoamento supersónico e hipersónico mais complexo, no qual o uido vai de encontro a um objeto de geometria circular gerando ondas de choque a montante do obstáculo. A segunda parte do trabalho compreende a extensão do método, anteriormente proposto para análise das equações de Euler, agora aplicado ao cálculo de escoamento MHD compressível. Este novo método é igualmente baseado no algoritmo PISO mas utiliza uma versão modi cada do esquema AUSM, devidamente adaptada para escoamento MHD. O método aqui proposto vai ser exposto de forma pormenorizada e as várias técnicas de correção do campo magnético são aqui apresentadas. No que concerne à sua validação, são utilizados vários casos de teste padrão do tipo uni-dimensional e bidimensional. Inicialmente vão ser abordados dois problemas de escoamento MHD resistivo em canais de secção quadrada. Seguidamente a ordem de precisão do método vai ser analisada através do cálculo de ondas de Alfvén num espaço bidimensional. A precisão no cálculo de descontinuidades vai ser posteriormente analisada com recurso ao problema de Riemann uni-dimensional e a vários problemas bidimensionais de escoamento MHD ideal. O método de simulação MHD aqui desenvolvido vai nalmente ser aplicado na análise paramétrica dos efeitos da geometria dos elétrodos sobre o desempenho de uma tubeira MPD de campo induzido.
URI: http://hdl.handle.net/10400.6/3424
Designação: Doutoramento em Engenharia Mecânica
Aparece nas colecções:FE - DEE | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento

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