Análise térmica de materiais ablativos do setor aeroespacial

Abstract

Devido à complexidade do processo de ablação, o uso de Mecânica de Fluidos Computacional (CFD), tem aparecido como uma ferramenta de grande potencial para projeto e seleção de materiais neste tipo de aplicações. No entanto, os dados existentes na literatura sobre o uso de CFD em processos ablativos ainda não permitem um panorama claro sobre vários aspectos, principalmente no que diz respeito à descrição detalhada de modelos e metodologias numéricas utilizadas e ao uso deste tipo de ferramenta na comparação de desempenho de materiais para uso em ablação. No presente trabalho, que constitui um primeiro passo do autor no desenvolvimento de uma estratégia de CFD para este tipo de aplicação, foi utilizado um modelo simplificado do processo, no qual não foi incluído o fenômeno de perda de massa do material ablativo ao longo do processo, contemplando-se somente os efeitos térmicos decorrentes do fluxo de calor. O modelo foi implementado no ANSYS Workbench e aplicado à comparação entre 4 materiais, sendo 3 já usados como ablativos (2 tipos de compósitos de resina fenólica com fibra de carbono fenólica – FCFR - e um compósito de resina fenólica com fibra de vidro) e 1 escolhido a partir de dados da literatura (poli(cloreto de vinila - PVC). Os testes realizados permitiram observar o efeito da diferença de propriedades entre os materiais, sendo que o FCFR com k=0,8 W/m²K foi o material com melhor desempenho em todos os testes, com valores mínimos de temperatura e fluxo de 27°C e 0,12355 W/m². Os resultados também indicam que vale a pena aprofundar o estudo relativo ao uso de PVC como ablativo, sendo que neste caso uma análise mais completa, com a incorporação da perda de massa no modelo, se faz fundamental, devido à baixa temperatura de ignição deste material

Due to the complexity of the ablation process, the use of Computational Fluid Mechanics (CFD) has been shown to be a tool of great potential for the design and selection of materials in this type of application. However, existing data in the literature on the use of CFD in ablative processes still do not allow a clear overview of several aspects, mainly about the detailed description of numerical models and methodologies used and the use of this type of tool in the comparison of performance of materials for use in ablation. In the present work, which constitutes the author's first step in the development of a CFD strategy for this type of application, a simplified model of the process was used, in which the characteristics of mass loss of the ablative material during the process were not included, contemplating only the thermal effects resulting from the heat flux. The model was implemented in ANSYS Workbench and applied to the comparison between 4 materials, 3 of which were already used as ablatives (2 types of phenolic resin composites with phenolic carbon fiber - FCFR - and a phenolic resin composite with glass fiber). and 1 chosen from literature data (poly(vinyl chloride - PVC). The tests carried out observed the effect of the difference in properties between the materials, and the FCFR with k=0.8 W/m²K was the material with better performance in all tests, with minimum values of temperature and flow of 27°C and 0.12355 W/m². The results also indicate that it is worth deepening the study regarding the use of PVC as an ablative, and in this case a more complete analysis, with the incorporation of mass loss in the model, is fundamental, due to the low ignition temperature of this material