Numerical simulation of MEMS-based cold gas micronozzle flows

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Israel Borges Sebastião
• Orientador(a): Wilson Fernando Nogueira dos Santos
• Banca de defesa: Jerônimo dos Santos Travelho, Leonardo Santos de Brito Alves
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Propulsão e Combustão
• País: BR
• Resumo em Inglês: The recent tendency in the design of space systems has aligned to reduce the life cycle cost of space programs by means of a reduction in the complexity of satellite missions. In this context, one of the possible options is reducing the mass of the whole system. Therefore, concepts of micropropulsion based on microtechnologies have been developed in order to attend the requirements of future space missions. The current state of semiconductor technology based on silicon has allowed the manufacturing process of small scale systems, called as MEMS (MicroElectroMechanical Systems). Among the many MEMS applications are the microunits of low thrust, where micronozzles are present. According to the relevant literature, the most studies investigated the micronozzle performance for different length scales and flow conditions. However, these investigations have not focused on the influence of the surface curvature on the micronozzle flow structure. In macronozzles, it is know that discontinuities on the surface affect the system performance due to the arising of shock waves inside the device. Thus, in order to obtain further insight into the physics of micronozzle flows, a numerical simulation of a rarefied flow in a convergent-divergent micronozzle array with rectangular cross-section is investigated by using the Direct Simulation Monte Carlo~(DSMC) method. By considering a convex-concave divergent surface, the impact of different divergent shapes on the two-dimensional flowfield structure, aerodynamic surface quantities and micronozzle performance are explored by changing the surface slope and radius of curvature at the inflection point. In order to decouple other geometric influences, the ratio between exit and throat areas as well as the divergent exit angle were kept the same for all cases. Moreover, the inlet-outlet boundary conditions are based on pre-defined pressure values. The computational results pointed out a small impact on the macroscopic properties due to variations in the slope and curvature of the divergent surface. The symmetric assumptions employed in this account resulted in a recirculation region in the external flow. The simulations also showed that thermodynamic nonequilibrium takes place in the entire divergent flow, in special, at the nozzle lip. By concerning to the aerodynamic surface quantities, simulations indicated that the thermal and mechanical loads that take place along the divergent surface are highly dependent on the smoothness of the surface along the inflection point. Finally, this study also revealed that the geometric shape of the divergent surface does not perform significant influence on the specific impulse. Anyway, the presence of the divergent surface provided a specific impulse that is almost two times higher than that one obtained by a micronozzle with only the convergent part operating in the same conditions.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/08.11.13.08

A atual tendência no projeto de sistemas espaciais tem caminhado no sentido de se reduzir o custo do ciclo de vida dos programas através da redução da complexidade das missões dos satélites. Nesse contexto, umas das opções diz respetio à redução da massa total do sistema. Desse modo, conceitos de micropropulsão baseados em microtecnologias têm sido desenvolvidos a fim de se atender as exigências das futuras missões espaciais. O atual estágio da tecnologia de semicondutores à base de silício tem permitido a fabricação de sistemas de pequena escala, denominados por MEMS(MicroElectroMechanical Systems). Dentre as várias aplicações dos MEMS encontram-se os micropropulsores de baixo empuxo, onde os microbocais estão presentes. De acordo com a literatura relevante, a maioria dos estudos investigou o desempenho dos microbocais para diferentes escalas e condições de contorno. Entretanto, essas investigações não focaram na influência da curvatura da superfície na estrutura do escoamento em microbocais. É sabido que, em macrobocais, descontinuidades na curvatura alteram o desempenho dos bocais devido ao surgimento de ondas de choque no interior do dispositivo. Assim, com o intuito de adquirir uma compreensão mais profunda da física presente no escoamento em microbocais, a simulação numérica de um escoamento rarefeito num microbocal do tipo convergente-divergente é realizada através do Método de Simulção Direta de Monte Carlo (DSMC). Tal dispositivo é considerado como parte de uma matriz de microbocais. Considerando ainda uma superfície divergente do tipo convexa-côncava, os impactos de diferentes perfis dessa superfície na estrutura do escoamento, quantidades aerodinâmicas da superfície e desempenho do microbocal são explorados alterando-se a inclinação e o raio de curvatura da superfície no ponto de inflexão. Com o propósito de se desacoplar outros efeitos geométricos, a razão entre as áreas da garganta e de saída assim como o ângulo de divergência na saída são mantidos os mesmos para todos os casos. Além disso, as condições de entrada e saída são baseadas em valores pré-definidos de pressão. Os resultados computacionais apontaram um pequeno impacto nas propriedades macroscópicas devido às variações na inclinação e curvatura da superfície divergente. As hipóteses de simetria adotadas neste trabalho resultaram numa região de recirculação no escoamento externo. As simulações ainda mostraram que o não-equilíbrio termodinâmico ocorre em todo escoamento divergente, em especial, no lábio do bocal. No que diz respeito às quantidades aerodinâmicas, as simulações indicaram que as cargas térmicas e mecânicas que agem ao longo da superfície divergente dependem fortemente da inclinação da superfície próximo ao ponto de inflexão. Finalmente, este estudo ainda revelou que a forma geométrica da superfície divergente não desempenhou uma influência significativa no impulso específico. De qualquer modo, a presença da superfície divergente forneceu um impulso específico que é cerca de duas vezes maior que aquele obtido para um microbocal apenas com a parte convergente operando nas mesmas condições.