Dissertação

{en_GB=Scaling and numerical analysis of non-isothermal sloshing for space propulsion} {} EVALUATED

{pt=O movimento de líquidos dentro de reservatórios é chamado `sloshing'. Este fenómeno é de interesse para a indústria aeroespacial, dada a prevalência de sistemas de propulsão com combustíveis líquidos em aeronaves modernas. O deslocamento dos líquidos gera forças e momentos destabilizadores que devem ser compensados pelos sistemas de controlo de atitude. Adicionalmente, quando fluidos criogénicos são utilizados, as suas elevadas sensibilidades térmicas, aliadas ao movimento do líquido, promovem a transferência de calor entre as fases gasosa e líquida. Para condições críticas, observam-se grandes flutuações de pressão, e a estabilidade estrutural do tanque pode ser comprometida. O objectivo deste trabalho foi estudar a problemática de `sloshing' não-isotérmico e investigar se um modelo de laboratório de pequena-escala consegue reproduzir os fenómenos observados em tanques de combustíves criogénicos de foguetões modernos. A análise é realizada através de simulações numéricas com o software OpenFOAM. As taxas de amortecimento, posição da interface, forças e momentos gerados são analisados, e a semelhança no movimento é comparada entre ambas as instalações. O problema da destratificação térmica é estudado para diferentes campos térmicos iniciais, diferentes excitações externas e diferentes condições térmicas das paredes do tanque. Para condições de sloshing linear, o comportamento mecânico do escoamento, bem como a evolução termodinâmica do sistema, foram semelhantes para ambas as instalações. Contudo, observou-se que, apesar de a instalação em tamanho-real não ter sido muito afetada pela presença de fluxos-térmicos normais às paredes do tanque, o modelo em pequena-escala foi significativamente afetado, revelando diferenças nas evoluções da pressão e temperatura dos sistemas., en=The motion of liquids inside a reservoir is called sloshing. This phenomenon is of interest to the aerospace industry given the prevalence of liquid-based propulsion systems in modern spacecraft. The fluid displacement generates destabilizing forces and moments which must be compensated by the attitude control systems. Moreover, when cryogenic fluids are considered, their high thermal sensitivities coupled with the liquid motion causes thermal mixing to take place between the gas and liquid phases. For critical conditions, large pressure fluctuations are observed, and the structural stability of the tank can be compromised. The aim of this work was to study the scaling laws of non-isothermal sloshing and investigate whether a small-scale laboratory model can reproduce the phenomena observed in the cryogenic stages of modern launch vehicles. This was done through Computational Fluid Dynamics simulations with OpenFOAM. The damping rates, interface position, sloshing forces and moments were analysed and similarity in the motion was compared between both facilities. The thermal destratification problem was studied for different initial thermal fields, different sloshing excitations and different thermal responses of the solid container walls. For planar sloshing conditions, the scaling approach yielded good similarity in terms of the flow dynamics as well as the thermodynamic evolution of the system. While the full-size facility was found to be less affected by the presence of wall-normal heat fluxes, the small-scale model was significantly impacted by this, leading to differences in the pressure and thermal evolutions of the systems.}
{pt='Sloshing', fluídos criogénicos, efeito da queda de pressão, destratificação térmica, CFD, OpenFOAM, en=Sloshing, cryogenic fluids, pressure-drop effect, thermal destratification, CFD, OpenFOAM}

Outubro 6, 2020, 14:0

Orientação

ORIENTADOR

Miguel Alfonso Mendez

von Karman Institute

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

Luís Rego da Cunha de Eça

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar