Logo do repositório
 
Publicação

Oxygen/Hydrogen Combustion under Supercritical Conditions: A Numerical Study

2025-11-27Dissertação de mestrado Acesso embargado
Ver registo simples
datacite.subject.fosEngenharia e Tecnologia::Engenharia Aeronáutica
dc.contributor.advisorSilva, André Resende Rodrigues da
dc.contributor.advisorMagalhães, Leandro Barbosa
dc.contributor.authorMartins, Daniel Ribeiro
dc.date.accessioned2026-01-28T12:09:43Z
dc.date.available2026-01-28T12:09:43Z
dc.date.issued2025-11-27
dc.description.abstractThe 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.eng
dc.description.abstractA procura por um desempenho superior dos sistemas de propulsão tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de combustão que operam a pressões cada vez mais elevadas. Estas condições tipicamente ultrapassam os limites críticos termodinâmicos dos propelentes, dando origem a regimes de escoamento transcrítico e supercrítico de grande complexidade. A combinação oxigénio/hidrogénio tem sido amplamente, e com sucesso, utilizada em propulsão de foguetes a propelente líquido e, no contexto dos objetivos globais de descarbonização, as características limpas e altamente energéticas do hidrogénio tornam-no um candidato promissor para futuras aplicações de propulsão além da indústria aeroespacial. A modelação da injeção coaxial de oxigénio e hidrogénio em condições supercríticas é abordada através de uma formulação estacionária e axissimétrica das equações de Navier-Stokes com médias de Favre, sendo a combustão tratada com o modelo Eddy-Dissipation-Concept em conjugação com um mecanismo cinético detalhado composto por oito espécies e dezanove reações elementares. A região imediatamente a jusante do injetor constitui o principal foco deste trabalho, uma vez que é nesta zona que se estabelece a eficiência de mistura, a qual governa, em última análise, a eficiência global da combustão e do motor. As simulações são realizadas de forma faseada para garantir consistência em todo o processo numérico. Numa primeira fase, efetuam-se simulações não reativas, incorporando modelos de gás ideal e de gás real. Posteriormente, realizam-se simulações reativas com o objetivo de validar o modelo numérico desenvolvido com base em dados experimentais. Duas contribuições principais distinguem o presente estudo de trabalhos anteriores sobre a injeção coaxial de O2/H2 . A primeira diz respeito à eficiência computacional, alcançada através de uma redução substancial do comprimento da câmara até ao mínimo necessário para garantir que as condições de fronteira à saída não influenciem a região próxima do injetor. Adicionalmente, omitiu-se a zona de recirculação de baixa velocidade situada acima do injetor, reduzindo ainda mais o custo computacional. A segunda inovação prende-se com a inclusão dos efeitos de transferência de calor nas paredes do injetor e da câmara. Em particular, é analisada a influência da configuração de paredes isotérmicas do injetor à luz do mecanismo de desintegração térmica do jato interno, anteriormente identificado na literatura para escoamentos não reativos sob condições supercríticas. Os resultados numéricos demonstraram a capacidade do modelo desenvolvido para representar com precisão a injeção e combustão criogénica de O2/H2 em condições supercríticas. As simulações não reativas estabeleceram uma base numérica robusta e captaram as principais características do escoamento, incluindo o núcleo denso de oxigénio envolvido por um escoamento de hidrogénio de alta velocidade. A incorporação dos efeitos de gás real revelou-se essencial, uma vez que a hipótese de gás ideal conduziu a desvios significativos no comprimento do núcleo de oxigénio e no comportamento da mistura. No regime reativo, o modelo de gás real reproduziu com boa precisão o perfil experimental axial de temperatura e a estrutura da chama, superando a formulação de gás ideal e apresentando resultados comparáveis aos reportados na literatura, confirmando assim a sua adequação à modelação de combustão criogénica em condições de alta pressão.por
dc.identifier.tid204162459
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.6/19851
dc.language.isoeng
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectMotor foguete a propelente líquido
dc.subjectInjeção coaxial
dc.subjectOxigénio
dc.subjectHidrogénio
dc.subjectCombustão
dc.subjectChamas de jato criogénicas
dc.subjectCondições supercríticas
dc.subjectEfeitos de fluido real
dc.subjectMistura turbulenta
dc.subjectDinâmica de fluidos computacional
dc.subjectLiquid-rocket engine
dc.subjectCoaxial injection
dc.subjectOxygen;
dc.subjectHydrogen
dc.subjectCombustion; cryogenic jet flames
dc.subjectSupercritical conditions
dc.subjectReal-fluid effects
dc.subjectTurbulent mixing
dc.subjectComputational fluid dynamics
dc.titleOxygen/Hydrogen Combustion under Supercritical Conditions: A Numerical Studypor
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
thesis.degree.nameMestrado Integrado em Engenharia Aeronáutica

Ficheiros

Principais
A mostrar 1 - 1 de 1
Miniatura indisponível
Nome:
11497_30229.pdf
Tamanho:
7.94 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Documento em Acesso Embargado até dia 13-10-2026. Tente solicitar cópia ao autor carregando no ficheiro
Ver/Abrir
Licença
A mostrar 1 - 1 de 1
Miniatura indisponível
Nome:
license.txt
Tamanho:
4.03 KB
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição:
Ver/Abrir

Coleções

FE - DCA | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento