Linear stability analysis of a compressible binary mixing layer / Análise de estabilidade linear de camada de mistura compressível binária

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2006

RESUMO

Os sistemas aeroespaciais em sua maioria, se utilizam da liberação de energia química para funcionar. Dentre as aplicações mais comuns estão os motores de aeronaves (i.e. turbinas a gás) e motores foguete. Ambos precisam que o combustível seja misturado com um oxidante em uma camara de combustão para que reajam e formem gases, que serão expandidos posteriormente em uma tubeira. Entender como o fenomeno da mistura ocorre dentro da camara é muito importante no projeto e na previsão do desempenho de tais sistemas. Na combustão supersônica esse conhecimento é crucial já que os tempos de residência na câmara são muito reduzidos, requerendo que a mistura seja rápida e eficiente. A análise de estabilidade nos auxilia a prever se um padrão de escoamento é estável, neutro ou instável, e como este padrão evolui para a transição e mais tarde para a turbulência. Muitos autores compararam os resultados da análise de estabilidade linear com simulações numéricas diretas (SND) e com resultados experimentais, e concluíram que tais análises fornecem um panorama significativo e preciso da física do escoamento a um custo computacional desprezível. A análise de estabilidade já foi aplicada a muitos problemas da mecânica dos fluidos como camadas limite, jatos, esteiras e camadas de mistura, sendo estas o objeto deste trabalho. Camadas de mistura aparecem quando duas correntes de fluido confluem a velocidades diferentes (U1 6= U2). O principal mecanismo através do qual a mistura acontece é conhecido como instabilidade de Kelvin-Helmholtz. Quando os dois fluidos estão a baixas velocidades e não há reação química (i.e. liberação de calor), um padrão de instabilidade central, que é chamado de modo central, domina o processo de mistura. Quando lidamos com gases a altas velocidades, onde há o efeito de compressibilidade, outros modos de instabilidade conhecidos como modos externos começam a ter maior influência sobre o processo de mistura. Pode-se mostrar que a taxa de amplificação do modo central diminui com o aumento do número de Mach convectivo (PAPAMOSCHOU; ROSHKO, 1988). A análise de estabilidade começa com o cálculo viscoso compressível binário bidimensional dos perfis laminares das variáveis do escoamento utilizando-se a equação de estado de gás perfeito e as equações de conservação transformadas para obtenção de uma solução similar para o caso de uma camada de mistura. De posse das soluções laminares, as equações de conservação para um escoamento invíscido compressível binário tridimensional sujeito a perturbações infinitesimais são derivadas. Uma solução por modos normais, que consiste em inserir uma perturbação senoidal a um estado base, é proposta. Dessa forma, todas as variáveis do escoamento são representadas pela soma de um valor laminar e uma pequena perturbação. Essas soluções ondulatórias são substituídas nas equações de conservação adimensionalizadas obtendo-se um problema de autovalor representado por uma equação diferencial ordinária (EDO) para as perturbações. Essa EDO é então integrada numericamente, resultando nos autovalores e autofunções para o campo de escoamento.

ASSUNTO(S)

mixing layers (fluids) combustÃo e propulsÃo escoamento compressivel combustion and propulsion misturas binárias mistura laminar estato reatores de combustão supersônica estabilidade de escoamento binary mixtures efeitos de compressibilidade compressibility effects camadas de mistura (fluidos) flow stability shear layers fluid flow supersonic combustion ramjet engines laminar mixing camadas cisalhantes escoamento de fluido

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