4.2 Construção do modelo físico
4.2.2 Seção de combustão
4.2.2.2 Câmara de combustão
A geometria da câmara de combustão preliminar, tal como projetada, é definida como um canal de seção transversal retangular, de área constante e comprimento , cuja injeção de combustível ocorre no plano perpendicular ao escoamento de ar após o isolador. Essa configuração apresenta suscetibilidade a problemas relacionados ao fenômeno unstart, isto é, redução abrupta da velocidade do escoamento no canal. Esse problema é decorrente do bloqueio do escoamento causado em função do desenvolvimento da camada-limite, ou pelo aumento da contrapressão decorrente de liberação de energia da combustão ou pela injeção de massa no escoamento supersônico de ar (CHANG et. al, 2017).
Em outras palavras, situações em que a altura da câmara não seja suficiente ou o comprimento do canal seja demasiado podem ocorrer fenômenos indesejados, como bloqueios ou escoamentos subsônicos no canal. A característica exotérmica da reação química caracterizada pela liberação de energia da combustão na forma de calor e a injeção de massa provocam aumentos locais significativos de pressão dentro da câmara de combustão podendo causar bloqueios e desencadear o fenômeno.
A geometria deve então, ser construída de modo que o processo de queima ocorra normalmente sendo necessário introduzir modificações à geometria inicial. A solução sugerida na literatura visa construir a região de queima, ou seja, o espaço entre os pontos de injeção de combustível e a saída da câmara (ponto 4), como um canal de altura da seção transversal variável e crescente para aportar o aumento de pressão, reduzir os efeitos da camada-limite e favorecer o escoamento na direção da saída da câmara de combustão.
A razão de área adequada foi definida com base em testes de simulações preliminares da câmara de combustão, em que a área na saída do duto foi variada até o ponto de não ocorrência do fenômeno unstart. O comprimento do duto de seção variável foi mantido em já que não se sabe ao certo que comprimento que seria adequado para fornecer maior rendimento ao processo de combustão. De acordo com a configuração proposta, ângulos de 2,5º de deflexão negativa nas superfícies simétricas inclinadas impediram o surgimento do fenômeno para todos os casos analisados.
Optou-se por uma câmara de combustão simétrica ao longo do eixo longitudinal . Além disso, foi construído um pequeno canal de de comprimento em ambas as configurações de injeção antes do ponto de injeção de combustível, de modo que os fenômenos de interação entre os escoamentos concorrentes de ar e combustível já previstos na literatura sejam capturados nas simulações, salientando que este elemento foi introduzido apenas para esta finalidade e não faz parte do projeto original, haja vista o modelo de simulação particionado.
Em seguida, é necessário definir a forma como o combustível será injetado. Para fins de comparação foram escolhidas duas formas: A primeira é a injeção transversal simples em que um único injetor está posicionado em umas das superfícies longitudinais (superior ou inferior) antes da região de área variável do combustor (Fig. 14); e a segunda é injeção transversal dupla onde dois injetores estão posicionados de forma cruzada nas duas superfícies longitudinais, alinhados entre si, um de frente para o outro (Fig. 15).
O dimensionamento dos injetores é feito a partir das relações estequiométricas da reação química de combustão completa. Conhecido o fluxo de massa de ar admitido na câmara de combustão e a relação combustível / ar estequiométrico apresentada na seção 4.2.1.4, é possível calcular a vazão mássica de combustível. Logo, se a vazão mássica do ar atmosférica total admitida no veículo é de e a relação combustível/ar para o hidrogênio é , então a vazão mássica de combustível é igual a . Vale ressaltar que, o demonstrador tecnológico possui geometria simétrica em relação ao eixo xz com dois canais internos de admissão de ar, portanto em cada canal segue metade da massa de
ar admitida, e consequentemente, metade da massa total de combustível é injetada em cada canal.
Figura 14- Combustor com injeção transversal simples.
Fonte: Autoria própria (2020).
Figura 15 - Combustor com injeção transversal dupla.
Fonte: Autoria própria (2020).
O próximo passo é definir a área de injeção de combustível. Ela pode ser definida como parâmetro de projeto de acordo com a equação da vazão mássica aplicada em um volume de controle, que por sua vez é quantificada como o produto entre a massa específica , a velocidade do fluido e a área por onde ele escoa. Conforme mencionado na seção 4.2.1.4, o combustível utilizado deve ser armazenado em um reservatório à temperatura de a uma pressão de . Deste modo, o combustível é injetado na câmara de
2,5º
combustão em velocidade sônica igual a 1318,46 m/s e temperatura corresponde a 249,48 K. A massa específica pode ser determinada pela lei dos gases perfeitos. A Equação 36 mostra a equação para obtenção da área de injeção.
inj H H inj inj H H inj T R P T R m A 2 2 2 2 2 (36)
Observe que tanto a pressão como a área de injeção são incógnitas, logo um
desses parâmetros deve ser arbitrado para que o outro seja calculado. Se considerarmos que o modelo de simulação utilizado é bidimensional, a área de injeção possui simples
geometria retangular e, portanto é a escolha trivial uma vez que apenas é necessário determinar o comprimento longitudinal do injetor. Embora o injetor não seja construído como uma fenda retangular ao longo de toda largura do canal e de fato por um conjunto de pequenos orifícios alinhados e distanciados entre si, a simplificação para o caso bidimensional no plano é válida já que os mecanismos de injeção não estão sendo avaliados neste trabalho. De qualquer forma, o somatório das áreas dos orifícios deve ser a mesma para manter a relação estequiométrica da mistura.
Para o caso bidimensional no plano e considerando a modalidade de injeção transversal simples, foi definida uma espessura igual a . Sabendo que a largura do canal é igual a a área de injeção é igual a . Para a modalidade de injeção transversal dupla, foi mantida a mesma área de injeção de modo que em ambos os casos a pressão de injeção seja a mesma. Todavia, como a mesma está disposta por dois injetores transversais paralelos, cada injetor possui de espessura.