@PhDThesis{Fischer:2019:AtGéIn,
author = "Fischer, Gustavo Alexandre Achilles",
title = "Atomiza{\c{c}}{\~a}o de g{\'e}is por injetores
centr{\'{\i}}fugos e jato-centr{\'{\i}}fugos para
aplica{\c{c}}{\~o}es em propuls{\~a}o de foguetes",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2019",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2019-03-25",
keywords = "Injetores centr{\'{\i}}fugos, injetores
jato-centr{\'{\i}}fugos, propelentes gelificados, pressure swirl
injectors, jet-swirl injectors, gelled propellants.",
abstract = "Esse trabalho apresenta uma investiga{\c{c}}{\~a}o
te{\'o}rico-experimental da atomiza{\c{c}}{\~a}o de propelentes
gelificados por meio de injetores centr{\'{\i}}fugos duais e
jatocentr{\'{\i}}fugos duais, visando aplica{\c{c}}{\~o}es em
propuls{\~a}o de foguetes. Esses injetores proporcionam
atomiza{\c{c}}{\~a}o e mistura eficientes dos propelentes
l{\'{\i}}quidos, al{\'e}m de permitirem o ajuste do {\^a}ngulo
de cone do spray para uma dada queda de press{\~a}o ou
vaz{\~a}o, reduzindo as dimens{\~o}es da c{\^a}mara de
combust{\~a}o. Inicialmente {\'e} feita uma
descri{\c{c}}{\~a}o da utiliza{\c{c}}{\~a}o dos g{\'e}is como
propelentes em motores-foguete e apresentada uma revis{\~a}o da
reologia dos fluidos newtonianos e n{\~a}o newtonianos. Em
seguida s{\~a}o apresentadas as teorias de Abramovich e Klyachko,
para an{\'a}lise do escoamento interno e o projeto dos injetores
centr{\'{\i}}fugos duais, e a abordagem de Bayvel e Orzechowski
com a teoria de Klyachko, para an{\'a}lise do escoamento interno
e o projeto de injetores jato-centr{\'{\i}}fugo duais. A partir
do estudo da reologia e da teoria de injetores
centr{\'{\i}}fugos e jato-centr{\'{\i}}fugos, um modelo
te{\'o}rico {\'e} proposto para o coeficiente de atrito em
injetores centr{\'{\i}}fugos e jato-centr{\'{\i}}fugos com
base na equa{\c{c}}{\~a}o do coeficiente de atrito de Darcy. Em
seguida, s{\~a}o apresentados os projetos dos injetores seguindo
os procedimentos de c{\'a}lculos propostos e considerando o novo
modelo te{\'o}rico, para uso em propulsores bipropelentes
empregando etanol l{\'{\i}}quido ou etanol gelificado (C2H5O)
95% m/m como combust{\'{\i}}vel e per{\'o}xido de
hidrog{\^e}nio (H2O2) 90% m/m como oxidante. As
caracter{\'{\i}}sticas de atomiza{\c{c}}{\~a}o dos injetores
constru{\'{\i}}dos foram estudadas usando {\'a}gua, etanol e
etanol gelificado 72o INPM como fluidos de teste. Os coeficientes
de descarga, os di{\^a}metros representativos de gotas, as
distribui{\c{c}}{\~o}es dos tamanhos de gotas, as uniformidades
das distribui{\c{c}}{\~o}es de massa, os {\^a}ngulos de cone
dos sprays e as vaz{\~o}es m{\'a}ssicas dos propelentes foram
determinados para diferentes press{\~o}es de inje{\c{c}}{\~a}o.
Verifica-se que o etanol gelificado requer press{\~o}es
significativamente maiores para ser atomizado do que o etanol
l{\'{\i}}quido, devido {\`a} sua maior viscosidade. Os
coeficientes de descarga para etanol gelificado s{\~a}o maiores
que o etanol l{\'{\i}}quido e aumentam ligeiramente com o
aumento da press{\~a}o de inje{\c{c}}{\~a}o. Observa-se que a
forma{\c{c}}{\~a}o dos padr{\~o}es de pulveriza{\c{c}}{\~a}o
para etanol gelificado {\'e} significativamente diferente daquela
do etanol l{\'{\i}}quido, mudando de um cone oco largo para um
cone oco estreito com o aumento da press{\~a}o. Com base no
desempenho dos injetores investigados foi apresentado um estudo
inicial de um cabe{\c{c}}ote de inje{\c{c}}{\~a}o visando a
utiliza{\c{c}}{\~a}o de etanol gelificado e per{\'o}xido de
hidrog{\^e}nio l{\'{\i}}quido em um propulsor bipropelente de
baixo empuxo. ABSTRACT: 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.",
committee = "Costa, Fernando de Souza (presidente/orientador) and Savonov,
Roman Ivanovitch and Mendon{\c{c}}a, M{\'a}rcio Teixeira de and
Marques, Rodrigo Intini and Lacava, Pedro Teixeira and Rodriguez,
Christian Jeremi Coronado",
englishtitle = "Atomization of gels by pressure swirl and jet-swirl injectors for
rocket propulsion applications",
language = "pt",
pages = "506",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3SSG9KH",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3SSG9KH",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "25 abr. 2024"
}