Atomização de géis por injetores centrífugos e jato-centrífugos para aplicações em propulsão de foguetes

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Gustavo Alexandre Achilles Fischer
• Orientador(a): Fernando de Souza Costa
• Banca de defesa: Roman Ivanovitch Savonov, Márcio Teixeira de Mendonça, Rodrigo Intini Marques, Pedro Teixeira Lacava, Christian Jeremi Coronado Rodriguez
• 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: This work presents a theoretical-experimental investigation of the atomization of gelled propellants through dual pressure swirl injectors and dual jet-swirl injectors for applications in rocket propulsion. These injectors provide efficient atomization and mixing of the liquid propellants. They also allow adjustment of the spray cone angle for a given pressure drop or flow rate, reducing the dimensions of the combustion chamber. Initially a description of the use of gels as propellants in rocket engines is presented and a revision of rheology of Newtonian and non-Newtonian fluids is presented. Then the theories of Abramovich and Klyachko, for analysis of the internal flow and the design of the dual pressure swirl injectors, and the approach of Bayvel and Orzechowski with the Klyachko's theory, for internal flow analysis and the design of dual jet-swirl injectors. From the study of rheology and the theory of pressure swirl injectors and jet-swirl injectors, a theoretical model is proposed for the coefficient of friction in these injectors based on the Darcys coefficient of friction. Next, the injector designs are presented following the proposed calculation procedures and considering the new theoretical model, for use in bipropellant thrusters using 95% m/m liquid or gelled ethanol (C2H5O) as fuel and 90% m/m hydrogen peroxide (H2O2) as the oxidant. The atomization characteristics of the manufactured injectors were studied using water, ethanol and 72o INPM gelled ethanol as test fluids. Discharge coefficients, representative droplet diameters, droplet size distributions, mass distributions uniformities, spray cone angles and mass flow rates of the propellants were determined at different injection pressures. It is found that gelled ethanol requires significantly higher pressures to be atomized than liquid ethanol because of its higher viscosity. The discharge coefficients for gelled ethanol are higher than liquid ethanol and increase slightly with increasing injection pressure. It is noted that the formation of spray patterns for gelled ethanol is significantly different from that of liquid ethanol, changing from a wide hollow cone to a narrow hollow cone with increasing pressure. Based on the performance of the investigated injectors, an initial study of an injection plate was presented aiming the use of gelled ethanol and liquid hydrogen peroxide in a low thrust bipropellant rocket.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/03.08.17.13

Esse trabalho apresenta uma investigação teórico-experimental da atomização de propelentes gelificados por meio de injetores centrífugos duais e jatocentrífugos duais, visando aplicações em propulsão de foguetes. Esses injetores proporcionam atomização e mistura eficientes dos propelentes líquidos, além de permitirem o ajuste do ângulo de cone do spray para uma dada queda de pressão ou vazão, reduzindo as dimensões da câmara de combustão. Inicialmente é feita uma descrição da utilização dos géis como propelentes em motores-foguete e apresentada uma revisão da reologia dos fluidos newtonianos e não newtonianos. Em seguida são apresentadas as teorias de Abramovich e Klyachko, para análise do escoamento interno e o projeto dos injetores centrífugos duais, e a abordagem de Bayvel e Orzechowski com a teoria de Klyachko, para análise do escoamento interno e o projeto de injetores jato-centrífugo duais. A partir do estudo da reologia e da teoria de injetores centrífugos e jato-centrífugos, um modelo teórico é proposto para o coeficiente de atrito em injetores centrífugos e jato-centrífugos com base na equação do coeficiente de atrito de Darcy. Em seguida, são apresentados os projetos dos injetores seguindo os procedimentos de cálculos propostos e considerando o novo modelo teórico, para uso em propulsores bipropelentes empregando etanol líquido ou etanol gelificado (C2H5O) 95% m/m como combustível e peróxido de hidrogênio (H2O2) 90% m/m como oxidante. As características de atomização dos injetores construídos foram estudadas usando água, etanol e etanol gelificado 72o INPM como fluidos de teste. Os coeficientes de descarga, os diâmetros representativos de gotas, as distribuições dos tamanhos de gotas, as uniformidades das distribuições de massa, os ângulos de cone dos sprays e as vazões mássicas dos propelentes foram determinados para diferentes pressões de injeção. Verifica-se que o etanol gelificado requer pressões significativamente maiores para ser atomizado do que o etanol líquido, devido à sua maior viscosidade. Os coeficientes de descarga para etanol gelificado são maiores que o etanol líquido e aumentam ligeiramente com o aumento da pressão de injeção. Observa-se que a formação dos padrões de pulverização para etanol gelificado é significativamente diferente daquela do etanol líquido, mudando de um cone oco largo para um cone oco estreito com o aumento da pressão. Com base no desempenho dos injetores investigados foi apresentado um estudo inicial de um cabeçote de injeção visando a utilização de etanol gelificado e peróxido de hidrogênio líquido em um propulsor bipropelente de baixo empuxo.