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Repositório Digital da Universidade da Beira Interior
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Oxygen/Hydrogen Combustion under Supercritical Conditions: A Numerical Study
Publication . Martins, Daniel Ribeiro; Silva, André Resende Rodrigues da; Magalhães, Leandro Barbosa
The pursuit of enhanced propulsion system performance has driven the development of combustion technologies operating at increasingly higher pressures. Such conditions tipically exceed the thermodynamic critical thresholds of the propellants, giving rise to complex transcritical and supercritical flow regimes. The oxygen/hydrogen propellant combination has been extensively and successfully employed in liquid rocket propulsion, and, in the context of global decarbonization objectives, the clean, high-energy characteristics of hydrogen make it a promising candidate for future propulsion applications extending beyond rocketry. The modeling of shear coaxial injection of oxygen and hydrogen under supercritical conditions is addressed through a steady-state axisymmetric Favre-averaged Navier-Stokes formulation, with combustion treated using the Eddy-Dissipation-Concept model in conjunction with a detailed kinetic mechanism consisting of eight species and nineteen elementary reactions. The near-field region of the injector constitutes the primary focus of this work, as it is within this zone that the mixing efficiency is established, ultimately governing the overall combustion and engine performance. The simulations are carried out piecewise to ensure consistency thorugh all the simulation process. Firstly, non-reacting simulations are performed, incorporating both ideal- and real-gas models. After that, reacting simulations are performed in order to validate the developed numerical model against experimental data. Two main innovative contributions distinguish the present study from previous works on O2/H2 coaxial injection. The first concerns computational efficiency, achieved through a substantial reduction of the chamber length to the minimum extent necessary to ensure that the outlet boundary conditions do not affect the near-field region. In addition, the omission of the low-velocity recirculation zone located above the injector head was implemented to further reduce computational cost. The second innovation involves the inclusion of heattransfer effects in both the injector and chamber walls. In particular, the influence of the isothermal walls configuration on the injector is analyzed in light of the thermal disintegration mechanism of the inner jet, previously identified in the literature for cold-flow conditions under supercritical regimes. The numerical results demonstrated the capability of the developed framework to accurately model cryogenic O2/H2 injection and combustion under supercritical conditions. The non-reacting simulations established a robust numerical foundation and captured the key flow features, including the dense oxygen core and the surrounding high-velocity hydrogen stream. The incorporation of real-gas effects proved essential, as the ideal-gas assumption led to significant deviations in core length and mixing behavior. In the reacting regime, the real-gas model reproduced the experimental axial temperature profile and flame structure with good accuracy, outperforming the ideal-gas formulation and yielding results comparable to those reported in the literature, thereby confirming its suitability for high-pressure combustion modeling.
Modelo de avaliação do processo logístico no desmantelamento de aeronaves em entidades certificadas EASA PART-145
Publication . Vale, Francisco Gonçalves Candeias do; Saúde, José Manuel Mota Lourenço da; Ros, Sofia Valéria
O aumento do número de aeronaves em fim de vida útil exige processos de desmantelamento eficientes e sustentáveis. Esta dissertação centra-se no desenvolvimento de um modelo de avaliação do processo logístico em entidades certificadas EASA PART-145, utilizando a Dassault Aviation Business Services (DABS) como caso de estudo. A metodologia baseou-se numa análise de capacidade por grupos funcionais (Maintenance, Technical Services e Logística) e no desenvolvimento do Índice de Equilíbrio de Fluxo (IEF), uma ferramenta de gestão orientada para o planeamento estratégico e apoio à decisão. A aplicação do modelo revelou um desequilíbrio estrutural entre a capacidade da Produção e da Logística, com o principal estrangulamento na equipa de Maintenance. O IEF demonstrou ser eficaz na análise do estado do sistema e na simulação de cenários futuros. Conclui-se que o modelo proposto foi validado com sucesso, constituindo uma ferramenta útil para a otimização do desmantelamento de aeronaves. O estudo evidencia que a eficiência global depende do equilíbrio e da sincronização do fluxo de trabalho.
Piezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring in Liquid Hydrogen Tanks: A Study on Composite Cryotank Technologies
Publication . Figueiredo, Matilde Rola; Pereira, João Pedro Nunes; Silva, Abílio Manuel Pereira da
Hydrogen has been emerging as a potential key energy carrier for sustainable aviation, yet its adoption is constrained by distinct engineering challenges, particularly its safe and lightweight storage. The present study investigates the feasibility of using the intrinsic piezoresistive properties of carbon-fibre reinforced prepreg composites, commonly employed in Type V cryogenic hydrogen tanks, for structural health monitoring. Given that matrix microcracking constitutes the predominant damage mechanism in these tanks and typically initiates at strain levels of 0.3%-0.5%, a preventive strain sensing approach was adopted based on these critical deformation thresholds. To achieve a proof of concept, 17-ply multidirectional carbon fibre/epoxy laminates based on Boeing’s cryotank from the Composite Cryotank Technologies and Demonstration program were produced and tested in their as-fabricated state and after controlled cryogenic cycling through five and ten cycles of immersion in liquid nitrogen (-196 ?) followed by reheating (52 ?). Unconditioned specimens showed a clear and repeatable piezoresistive response from surface measurements, with gauge factors ranging from -11.02 to -12.70, confirming their intrinsic self-sensing capability. Cryogenically cycled specimens exhibited moderate mechanical degradation and increased baseline electrical resistance, yet retained self-sensing performance, with gauge factor increases exceeding 85%. While volume (edge-to-edge) measurements were inconclusive, the consistent surface response demonstrates that unmodified carbon fibre/epoxy prepreg composites employed in Type V cryotanks can retain effective strain sensing functionality after cryogenic exposure and cycling, providing insights for the development of integrated structural health monitoring strategies in hydrogen storage applications.
Efeito da temperatura no comportamento de compósitos de resina epóxi nano reforçados com nano fibras de carbono
Publication . Tavares, Rimaldini da Veiga; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Santos, Paulo Sérgio Pina dos
A indústria aeronáutica tem se destacado como um fator crucial no desenvolvimento tecnológico, impulsionada pela inovação em compósitos. Os compósitos, especialmente os reforçados com fibras de carbono e nano materiais, têm revolucionado o design e a fabricação de aeronaves, oferecendo melhorias significativas em termos de leveza, resistência e durabilidade. Neste contexto, realizou-se esta dissertação com o prepósito de investigar o efeito da temperatura no comportamento de compósitos de resina epóxi reforçada com nano fibras de carbono (CNF’s), por meio de um estudo numérico e experimental. Visa entender como as variações térmicas afetam as propriedades mecânicas e térmicas desses compósitos avançados, essenciais para aplicações na indústria aeroespacial e aeronáutica. A metodologia utilizada foi a agitação mecânica e a moldação manual de fácil aplicação, custos reduzidos e facilmente escalável para a indústria. Os ensaios de flexão realizados evidenciaram que tanto as matrizes quanto os laminados aditivados com 0,75% em peso de CNF’s apresentaram desempenho superior em relação às respetivas amostras de controlo. A 50 ?, a incorporação de CNF’s na matriz promoveu um aumento de 42,34% na tensão de flexão, um incremento de 44,33% na rigidez e uma redução de 5,77% na deformação, quando comparada à matriz de controlo. Para os laminados submetidos à mesma condição térmica, a adição de 0,75% em peso de CNF’s resultou em um acréscimo de 17,75% na tensão de flexão, um ganho de 5,35% na rigidez e uma diminuição de 7,09% na deformação, em relação ao laminado de controlo. Nos testes de relaxação de tensões, ocorre a redução da tensão ao longo do tempo, e em termos de fluência, o deslocamento aumenta ao longo do tempo e os dados experimentais foram ajustados com sucesso pelo modelo de Kohlrausch-Williams-Watts (KWW).
O Impacto de Diferentes Estratégias de Recuperação no Desempenho e na Fadiga após Cronoescalada
Publication . Bento, Duarte Luís Louro de Oliveira Correia; Marques, Diogo Luís Sequeira Torgal; Neiva, Henrique Pereira
Este estudo teve como objetivo comparar os efeitos da recuperação ativa vs. passiva após
uma prova de ciclismo de estrada em subida no desempenho mecânico, fisiológico e
psicofisiológico. Num estudo cruzado, nove ciclistas (experiência de ciclismo: 8.0 ± 2.3
anos; idade: 22.1 ± 2.9 anos; massa corporal: 70.0 ± 7.9 kg; altura: 1.74 ± 0.08 m) foram
submetidos a dois tipos de recuperação, cada um realizado com um intervalo de 8 dias,
após uma prova de ciclismo de estrada em subida de aproximadamente 10 km. A
recuperação ativa consistiu em pedalar num sistema de rolos durante 30 minutos entre
os 60 e 70% da frequência cardíaca máxima prevista, enquanto a recuperação passiva
consistiu em repouso completo (ciclistas sentados na cadeira) durante 30 minutos. Após
a prova e após os períodos de recuperação, foram avaliadas as seguintes variáveis: salto
vertical com contramovimento (SVC), lançamento da bola medicinal (LBM), frequência
cardíaca (FC), lactato sanguíneo (LAC) e perceção subjetiva de esforço (PSE). A
percentagem de mudança (%?) do pós-prova para o pós-recuperação nas diferentes
variáveis foi comparada através de um teste t de amostras emparelhadas, com a
magnitude das diferenças analisadas através do tamanho do efeito de Hedge’s g. Os
resultados indicaram que a recuperação ativa, em comparação com a recuperação
passiva, induziu maior aumentos de desempenho no SCV (p=0.002; g=1.56) e LBM
(p=0.009; g=0.95) e promoveu uma maior diminuição da lactatemia (p<0.001; g=3.44).
Por outro lado, a recuperação passiva induziu um maior decréscimo na frequência
cardíaca do que a recuperação ativa (p<0.001; g=3.35). Não se registaram diferenças
entre as duas estratégias de recuperação na PSE (p=0.18; g=0.63). Em síntese, este
estudo sugere que a recuperação ativa pode ser relevante entre etapas de ciclismo
consecutivas, treinos intervalados ou provas em dias sucessivos, enquanto a recuperação
passiva pode ser aconselhável quando o objetivo passa por promover um repouso
autonómico completo.