Numerical simulation of MEMS-based cold gas micronozzle flows / Simulação numérica do escoamento de gás frio em microbocais baseados em MEMS

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

15/09/2011

RESUMO

A atual tendência no projeto de sistemas espaciais tem caminhado no sentido de se reduzir o custo do ciclo de vida dos programas através da redução da complexidade das missões dos satélites. Nesse contexto, umas das opções diz respetio à redução da massa total do sistema. Desse modo, conceitos de micropropulsão baseados em microtecnologias têm sido desenvolvidos a fim de se atender as exigências das futuras missões espaciais. O atual estágio da tecnologia de semicondutores à base de silício tem permitido a fabricação de sistemas de pequena escala, denominados por MEMS(MicroElectroMechanical Systems). Dentre as várias aplicações dos MEMS encontram-se os micropropulsores de baixo empuxo, onde os microbocais estão presentes. De acordo com a literatura relevante, a maioria dos estudos investigou o desempenho dos microbocais para diferentes escalas e condições de contorno. Entretanto, essas investigações não focaram na influência da curvatura da superfície na estrutura do escoamento em microbocais. É sabido que, em macrobocais, descontinuidades na curvatura alteram o desempenho dos bocais devido ao surgimento de ondas de choque no interior do dispositivo. Assim, com o intuito de adquirir uma compreensão mais profunda da física presente no escoamento em microbocais, a simulação numérica de um escoamento rarefeito num microbocal do tipo convergente-divergente é realizada através do Método de Simulção Direta de Monte Carlo (DSMC). Tal dispositivo é considerado como parte de uma matriz de microbocais. Considerando ainda uma superfície divergente do tipo convexa-côncava, os impactos de diferentes perfis dessa superfície na estrutura do escoamento, quantidades aerodinâmicas da superfície e desempenho do microbocal são explorados alterando-se a inclinação e o raio de curvatura da superfície no ponto de inflexão. Com o propósito de se desacoplar outros efeitos geométricos, a razão entre as áreas da garganta e de saída assim como o ângulo de divergência na saída são mantidos os mesmos para todos os casos. Além disso, as condições de entrada e saída são baseadas em valores pré-definidos de pressão. Os resultados computacionais apontaram um pequeno impacto nas propriedades macroscópicas devido às variações na inclinação e curvatura da superfície divergente. As hipóteses de simetria adotadas neste trabalho resultaram numa região de recirculação no escoamento externo. As simulações ainda mostraram que o não-equilíbrio termodinâmico ocorre em todo escoamento divergente, em especial, no lábio do bocal. No que diz respeito às quantidades aerodinâmicas, as simulações indicaram que as cargas térmicas e mecânicas que agem ao longo da superfície divergente dependem fortemente da inclinação da superfície próximo ao ponto de inflexão. Finalmente, este estudo ainda revelou que a forma geométrica da superfície divergente não desempenhou uma influência significativa no impulso específico. De qualquer modo, a presença da superfície divergente forneceu um impulso específico que é cerca de duas vezes maior que aquele obtido para um microbocal apenas com a parte convergente operando nas mesmas condições.

ASSUNTO(S)

simulação direta de monte carlo (dsmc) escoamento rarefeito sistemas microeletromecânicos (mems) microbocais escoamento supersônico

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