Bolsa de Doutoramento FCT: Modelação Computacional do Escoamento Hipersónico Perante a influência de Campos electromagnéticos: Aplicação a Propulsores a Plasma [UI/BD/153064/2022]

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Modelação Computacional do Escoamento Hipersónico Perante a Influência de Campos Eletromagnéticos

Publication . Andrade, Odelma Santana d’Alva Teixeira Andrade; Marques, José Carlos Páscoa

A presente tese tem como objetivo o estudo da magnetoaerodinâmica (MAD) para aplicação em sistemas de proteção térmica (TPS) de veículos hipersónicos e na melhoria da precisão das previsões do escoamento em túneis de vento de plasma (PWT). Os fundamentos que regem o escoamento hipersónico e a MAD foram analisados, conduzindo ao desenvolvimento de um modelo numérico robusto em OpenFOAM. O novo modelo integra as equações de Navier–Stokes–Fourier com interações eletromagnéticas sob condições de não-equilíbrio termoquímico. Foram implementados vários modelos químicos, incluindo um novo modelo multiespécies, desenvolvido para captar as reações de ionização responsáveis por induzir interações MAD, ampliando a capacidade preditiva das simulações em condições pouco exploradas. A validação com dados experimentais revelou elevada precisão na previsão de fenómenos aerotermodinâmicos, em particular o aquecimento aerodinâmico, a relaxação vibracional e as propriedades do escoamento em tubeiras hipersónicas, com discrepâncias inferiores a 2%. Adicionalmente, o novo modelo químico reproduziu fielmente a cinética relevante do plasma, permitindo a simulação de plasma fracamente ionizado com mais de 99% de concordância relativamente a resultados experimentais. Após a consolidação da fiabilidade do modelo numérico, a presente investigação aprofunda o conhecimento científico em múltiplas áreas. Demonstrou-se que os efeitos de não-equilíbrio termoquímico em PWT hipersónicos aumentam com a razão de expansão da tubeira e com a entalpia específica de estagnação. Nestes casos, os efeitos catalíticos da parede tornaram-se mais significativos, enquanto a influência da atividade catalítica da parede nas propriedades do núcleo do escoamento revelou-se desprezável para razões de expansão abaixo de 186, fornecendo orientações precisas para a operação das instalações. Paralelamente, foram desenvolvidas novas tubeiras de perfil em sino, propostas como alternativas às convencionais tubeiras de perfil cónico para o PWT SCIROCCO. As novas tubeiras demonstraram desempenho superior, com um aumento de 19% no número de Mach à saída, uma redução de 33% na angularidade do escoamento central e diminuições adicionais nas perdas de entalpia específica (3,7%) e na geração de entropia específica (18,4%). De forma particularmente significativa, a configuração em sino ampliou em 66% a região de interação MAD sob campo magnético imposto (0,8 T), confirmando a sua superioridade para ensaios MAD, enquanto a configuração cónica permanece preferível para análises aerodinâmicas. Este trabalho evidencia pela primeira vez a relação entre a atividade catalítica da superfície e o controlo do escoamento MAD no desempenho de sistemas de proteção térmica. Para o menor número de Mach considerado (11,3), o escudo térmico MAD revelou-se ineficaz devido ao baixo parâmetro de interação magnética e à reduzida intensidade da força de Lorentz. Em contraste, a Mach 17,1, a aplicação do escudo térmico MAD conduziu a reduções significativas nos fluxos de calor superficial: 38% em superfícies não catalíticas e 49% em superfícies totalmente catalíticas. Estes resultados representam um marco no estudo do controlo de escoamentos hipersónicos assistidos por MAD, ao estabelecerem simultaneamente a relevância da atividade catalítica e a influência do número de Mach na eficácia do escudo térmico MAD. Em conjunto, as conclusões apresentadas expandem o conhecimento sobre os fenómenos aerotermodinâmicos, catalíticos e eletromagnéticos que caracterizam o voo hipersónico e oferecem metodologias que reforçam o desenvolvimento, a certificação e a otimização de veículos hipersónicos e de tecnologias de proteção térmica suportadas pela MAD.

2026-05-29Tese de doutoramento

Acesso aberto

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Palavras-chave

Engineering and technology, Engineering and technology/Mechanical engineering

Entidade financiadora

Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.

Programa de financiamento

Bolsa de Doutoramento

Número da atribuição

UI/BD/153064/2022