Publicação
Combustion Characteristics of Oxygen-Hydrogen Mixtures
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Aeronáutica | |
| dc.contributor.advisor | Magalhães, Leandro Barbosa | |
| dc.contributor.advisor | Silva, André Resende Rodrigues da | |
| dc.contributor.author | Domingos, Diogo Soares | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-23T14:36:45Z | |
| dc.date.available | 2026-01-23T14:36:45Z | |
| dc.date.issued | 2025-11-25 | |
| dc.date.submitted | 2025-09-12 | |
| dc.description.abstract | The search for more efficient rocket propulsion systems has driven the aerospace engineering industry to innovate combustion chambers to withstand extreme conditions, including high pressure and temperature (up to 20 MPa and 3300 K). However, testing and optimising these systems through trial-and-error techniques is inefficient and costly. In response, and with the increased availability of computational resources, there has been a massive shift towards the development of numerical codes that facilitate the simulation and investigation of combustion events in liquid rocket engines. This dissertation aims to contribute to that effort by developing a robust and flexible numerical combustion model that can analyse different kinetic mechanisms. The model employs an Arrhenius parametrisation to estimate reaction rates and Lindemann or Troe methods to represent fall-off behaviour in pressure-dependent reactions. Importantly, the model is formulated to operate exclusively with gaseous-phase combustion, assuming that all reactants and products are fully vaporised before participating in the reaction. The numerical solver draws upon the SUNDIALS suite in the form of the CVODE solver using the Backward Differentiation Formula method suitable for stiff problems. The use of this method requires a non-linear (Newton method) and a linear (scaled, preconditioned GMRES) methods to efficiently deal with the initial value problem. The model possesses the ability to simulate isobaric and adiabatic flow reactor configurations, which offer flexibility in dimensionless analysis of combustion performance. Given the central role of hydrogen in the operation of liquid rocket engines, this fuel is adopted as the primary focus throughout the dissertation. Due to the importance of hydrogen in the operation of liquid rocket engines, this fuel is considered through the dissertation. To confirm its reliability, the model was compared with an extensive experimentally available dataset of species concentration profiles and ignition delay times, specially concerning hydrogen-oxygen mixtures. The validation set has a wide range of conditions with pressure ranging from 0.3 to 15.7 atm, initial temperature ranging from 880 to 935 K, and initial equivalence ratio ranging from 0.27 to 1.0. The results show that the model can accurately predict the evolution of species concentrations over time, in agreement with the experimental data used for validation. Therefore, the model establishes a solid foundation for future developments, including reactive environments involving more complex species such as hydrocarbons. Additionally, the model can be further enhanced by incorporating turbulent combustion and high-pressure reactive flows, which are typical of combustion chambers in liquid rocket engines. | eng |
| dc.description.abstract | A procura de sistemas de propulsão mais eficientes tem levado o setor aeroespacial a desenvolver câmaras de combustão capazes de operar sob condições extremas de pressão e temperatura (até 20 MPa e 3300 K). No entanto, a otimização destes sistemas através de abordagens experimentais baseadas em métodos iterativos é morosa e dispendiosa. Em resposta a este desafio, e apoiada pela crescente disponibilidade de recursos computacionais, tem-se verificado uma aposta significativa no desenvolvimento de ferramentas numéricas que permitam simular e analisar os processos de combustão em motores foguete de propelente líquido. Esta dissertação contribui para esse esforço através do desenvolvimento de um modelo numérico de combustão robusto e fléxivel, capaz de analisar diferentes mecanismos cinéticos. O modelo utiliza formulações baseadas na equação de Arrhenius para o cálculo das constantes de reação e recorre às abordagens de Lindemann ou Troe para modelar reações dependentes da pressão, captando com precisão o comportamento na zona de transição (fall-off). Importa salientar que o modelo foi concebido para operar exclusivamente com combustão em fase gasosa, assumindo que todos os reagentes e produtos se encontram completamente vaporizados antes de participarem na reação. O método numérico baseia-se na biblioteca SUNDIALS, utilizando o integrador CVODE com o método Backward Differentiation Formula, adequado para sistemas rígidos. Esta abordagem exige a aplicação de métodos numéricos não lineares, neste caso o método de Newton, combinados com técnicas lineares, como o GMRES escalado e precondicionado. O modelo desenvolvido permite simulações em reatores de escoamento isobáricos e adiabáticos, possibilitando uma análise adimensional do comportamento da combustão. Dada a importância do hidrogénio no funcionamento de motores-foguete líquidos, este combustível é adoptado como foco principal ao longo da dissertação. Devido à importância do hidrogénio na operação de foguetes de propelente líquido, este combustível é considerado ao longo de toda a dissertação. Para garantir a fiabilidade do modelo, este foi validado para um conjunto abrangente de dados experimentais, com especial atenção aos perfis de concentração de espécies, referente a misturas de hidrogénio e oxigénio. O conjunto de dados abrange uma ampla gama de condições, incluindo pressões entre 0.3 e 15.7 atm, temperaturas iniciais entre 880 e 943 K, e razões de equivalência iniciais entre 0.27 e 1.0. Os resultados mostram que o modelo desenvolvido é capaz de descrever corretamente a evolução da concentração das espécies presentes no sistema, em conformidade com os dados experimentais utilizados para validação. Desta forma, o modelo estabelece uma base sólida para futuras extensões incluindo ambientes reativos que envolvam espécies mais complexas, como hidrocarbonetos. Ademais, o modelo pode ser melhorado com a inclusão de outros tipos de ambientes reativos, como o jet stirred reactor, chamas laminares, regimes de combustão turbulenta e escoamentos reativos em alta pressão, típicos das câmaras de combustão de motores foguete de propelente líquido. | por |
| dc.identifier.tid | 204137373 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/19804 | |
| dc.language.iso | eng | por |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | |
| dc.subject | Modelação do Processo de Combustão | por |
| dc.subject | Oxidação de Hidrogénio | por |
| dc.subject | Propulsão Foguete | por |
| dc.subject | Química Cinética | por |
| dc.subject | Simulação Numérica | por |
| dc.title | Combustion Characteristics of Oxygen-Hydrogen Mixtures | por |
| dc.type | master thesis | por |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Mestrado Integrado em Engenharia Aeronáutica | por |
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