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Advisor(s)
Abstract(s)
As space exploration enters a new era where not only public but also private enterprises begin
to flourish, financial viability becomes a preponderant factor. It is hard to estimate how far
the contribution of this sector to the development of the resources available thus far will be,
but the link between engineering technology and cost reduction is unquestionable.
In a Liquid Rocket Engine, higher combustion efficiency comes at the cost of both the fuel
and/or the oxidiser surpassing their critical points and entering the domain of supercritical
fluids. While these conditions have been present in rocket engines combustion chambers for
decades, they are still not fully understood and tools to properly simulate such conditions are
still in the development stages.
The highly non-linear behaviour of the thermophysical properties of a fluid in this regime
increases the difficulty of any attempt to run numerical simulations. The ideal gas law is
no longer valid and must be replaced by more accurate models. The Peng-Robinson and the
Soave-Redlich-Kwong Equations of State (EoS) are compared to a reference EoS for nitrogen
to gain some insight on the magnitude of error that simpler cubic Equations of State incur
in the simulation results. The output of the multi-parameter EoS is obtained from the real
gas library REFPROPv9.1 thus reducing computational costs while still achieving a level of
accuracy that would otherwise not be possible. A similar treatment must be given to transport
and caloric properties that have a significant impact on the flow structure.
To deal with the incompressible but variable density conditions inside the combustion chamber, the standard time-averaging method is replaced by the Favre averaging procedure and
the system of equations is closed with different turbulence models, the main focus of this
study. The performance of said models, designed and calibrated to run in subcritical conditions, is then studied and their validity for the supercritical regime is assessed.
Ultimately, computational results are validated against experimental data regarding the development of the mixing layer of nitrogen. Results show a good agreement with experimental
data and, when compared to additional numerical studies for the same conditions, it is visible
that there is no monotonic dependence between model complexity, performance and quality
of results.
A passagem do sector privado de segundo para primeiro plano, no campo da exploração espacial depende, em grande parte, da viabilidade financeira de tais projetos. É difícil de estimar até que ponto este sector conseguirá desenvolver os recursos já disponíveis para a exploração espacial, mas a ligação entre avanço tecnológico e redução de custos é inquestionável. Em motores foguete de propelente líquido, uma combustão mais eficiente implica uma transição do combustível e/ou oxidante para o regime supercrítico. Apesar de estas condições não serem novidade dentro da câmara de combustão de um motor foguete, ainda não são perfeitamente compreendidas e as ferramentas para as estudar ainda estão em fase de desenvolvimento. O comportamento não linear das propriedades termofísicas de um fluido no regime supercrítico aumenta a dificuldade de qualquer simulação numérica nestas condições. Neste trabalho, a lei dos gases ideais perde validade e é substituída por modelos de maior precisão. As Equações de Estado de Peng-Robinson e de Soave-Redlich-Kwong são comparadas com uma Equação de Estado multiparamétrica de referência para o azoto, permitindo assim estimar o erro associado a cada um destes modelos. Esta Equação de Estado de referência é implementada através da base de dados REFPROPv9.1 que oferece simultaneamente um aumento de precisão e redução de custo computacional. O mesmo cuidado é também aplicado às propriedades calóricas e de transporte. Para lidar com o escoamento incompressível, mas de massa específica variável, dentro da câmara de combustão, a média normalmente aplicada às equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia é dispensada em favor da média de Favre, ponderada pela massa específica. Este sistema de equações é por fim fechado com diferentes modelos de turbulência, onde reside o principal foco deste estudo. O desempenho e a validade de tais modelos, desenvolvidos e calibrados para condições subcríticas, são estudados para condições supercríticas. Por fim, os dados experimentais correspondentes ao desenvolvimento de camada de mistura de azoto são usados para validação. Os resultados mostram-se em boa concordância com os experimentais e, quando comparados com os de outros estudos numéricos semelhantes, mostram que não existe, de facto, uma dependência monotónica entre a complexidade de um modelo de turbulência, desempenho e qualidade de resultados.
A passagem do sector privado de segundo para primeiro plano, no campo da exploração espacial depende, em grande parte, da viabilidade financeira de tais projetos. É difícil de estimar até que ponto este sector conseguirá desenvolver os recursos já disponíveis para a exploração espacial, mas a ligação entre avanço tecnológico e redução de custos é inquestionável. Em motores foguete de propelente líquido, uma combustão mais eficiente implica uma transição do combustível e/ou oxidante para o regime supercrítico. Apesar de estas condições não serem novidade dentro da câmara de combustão de um motor foguete, ainda não são perfeitamente compreendidas e as ferramentas para as estudar ainda estão em fase de desenvolvimento. O comportamento não linear das propriedades termofísicas de um fluido no regime supercrítico aumenta a dificuldade de qualquer simulação numérica nestas condições. Neste trabalho, a lei dos gases ideais perde validade e é substituída por modelos de maior precisão. As Equações de Estado de Peng-Robinson e de Soave-Redlich-Kwong são comparadas com uma Equação de Estado multiparamétrica de referência para o azoto, permitindo assim estimar o erro associado a cada um destes modelos. Esta Equação de Estado de referência é implementada através da base de dados REFPROPv9.1 que oferece simultaneamente um aumento de precisão e redução de custo computacional. O mesmo cuidado é também aplicado às propriedades calóricas e de transporte. Para lidar com o escoamento incompressível, mas de massa específica variável, dentro da câmara de combustão, a média normalmente aplicada às equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia é dispensada em favor da média de Favre, ponderada pela massa específica. Este sistema de equações é por fim fechado com diferentes modelos de turbulência, onde reside o principal foco deste estudo. O desempenho e a validade de tais modelos, desenvolvidos e calibrados para condições subcríticas, são estudados para condições supercríticas. Por fim, os dados experimentais correspondentes ao desenvolvimento de camada de mistura de azoto são usados para validação. Os resultados mostram-se em boa concordância com os experimentais e, quando comparados com os de outros estudos numéricos semelhantes, mostram que não existe, de facto, uma dependência monotónica entre a complexidade de um modelo de turbulência, desempenho e qualidade de resultados.
Description
Keywords
Equação de Estado Injeção Em Condições Supercríticas Modelo de Turbulência Motores Foguete