Estudo numérico do processo de decomposição em câmaras catalíticas de propulsores monopropelentes

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Jenny Carolina Robledo Asencio
• Orientador(a): Roman Ivanovitch Savonov, Rodrigo Intini Marques
• Banca de defesa: Marcio Teixeira de Mendonça, Wladimyr Mattos da Costa Dourado, Rene Francisco Boschi Gonçalves, Fabio Antônio da Silva Mota
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e Propulsão
• País: BR
• Resumo em Inglês: Monopropellant thrusters are a key technology for low thrust space missions. In its development, ground tests are critical due to the high cost, and certain precautions that must be taken depending on the type of the monopropellant. One way of minimizing these tests and optimizing the design of this type of thrusters is using computational tools, which allow simulating the thermochemical and physical phenomena that occur within its catalytic bed, the main component. But the description of the phenomenon is not trivial, due this is a problem of reactive flow in porous media with heat and mass transport. Different analytical and simulation models have been developed in an attempt to address this type of problem. Many of them specific to a given monopropellant, as the hydrazine and which have been the most studied, other models are focused on industrial fixed catalytic beds. On a reported basis, the aim of this work was developing a theoretical study to modeling and implementing a catalytic bed in open-source software for computational fluid dynamics (CFD), called OpenFOAM®. The model proposes the separation of the catalytic bed in two main regions: the first formed by the interstitial gas flow, where the homogeneous reaction occurs; and the other region that involves both the gas on the catalytic particles and the catalytic particle itself and where heterogeneous reactions occur. The implemented model includes the calculation of the characteristics of the porous media, the mass transfer coefficients for different species in a multicomponent gas mixture, and the heat transfer coefficients. The new solver of OpenFOAM® was called catalyticChamberFoamV.1. To verify the proposed model and its implementation, experimental and literature studies were used, whose operational parameters were adapted to OpenFOAM® cases. Some similarities were obtained by simulating the operational conditions of the comparative works. It was verified that the model allows the predictions of the mass fraction of the chemical species through the axial distance of the catalytic bed and as a function of time for a monopropellant thruster under ground testing conditions. These are key parameters for evaluating performance and improving the design of this type of thrusters.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/12.04.15.16

Os propulsores monopropelentes são uma tecnologia de grande importância para missões espaciais de baixo empuxo. No seu desenvolvimento os testes em terra são críticos devido ao alto custo, e certas precauções que devem ser tomadas dependendo do tipo de monopropelente. Uma forma de minimização destes testes, e de otimização do projeto dos propulsores monopropelentes, é o uso de ferramentas computacionais, que permitem simular os fenômenos termoquímicos e físicos que acontecem no interior do seu leito catalítico, o componente principal. Mas a descrição do fenômeno não é trivial, já que se trata de um problema de escoamento reativo em meio poroso com envolvimento de transporte de calor e massa. Diferentes modelos analíticos e de simulação tem sido desenvolvidos na tentativa de abranger este tipo de problema, muitos deles específicos de um dado propulsor, como no caso daqueles que usam hidrazina como monopropelente e que têm sido os mais estudados, outros são focados em leitos catalíticos fixos industriais. Com base no relatado, foi desenvolvido neste trabalho um estudo teórico, com o intuito de propor um modelo, e a sua implementação num software de código aberto para fluidodinâmica computacional (CFD), chamado OpenFOAM®. O modelo propõe a separação do leito catalítico em duas regiões principais, a primeira formada pelo escoamento de gás intersticial, onde ocorre a reação homogênea, e a outra região que envolve tanto o gás na superfície das partículas catalíticas como a própria partícula catalítica, e onde acontecem as reações heterogêneas. O modelo implementado inclui o cálculo das características do meio poroso, os coeficientes de transferência de massa para diferentes espécies numa mistura de gás multicomponente, e os coeficientes de transferência de calor. A aplicação de OpenFOAM® criada foi nomeada de catalyticChamberFoamV.1. Para verificação do modelo proposto, e da respectiva implementação, foram utilizados estudos experimentais e de simulação encontrados na literatura, cujos parâmetros operacionais foram adaptados aos casos do OpenFOAM®. Algumas semelhanças foram obtidas pela simulação das condições operacionais dos trabalhos comparados. Foi verificado que o modelo permite a previsão da fração mássica das espécies químicas envolvidas nos processos catalíticos, campos de temperatura ao longo do eixo do leito catalítico e em função do tempo para um propulsor monopropelente em condição de teste em terra. Estes são parâmetros fundamentais para avaliar o desempenho, e para o aprimoramento do projeto deste tipo de propulsores.