Design and optimization of a SHCRAMJET engine

Joaquim Augusto Valente Nogueira

Key information

Authors:

Joaquim Augusto Valente Nogueira (Joaquim Augusto Valente Nogueira)

Supervisors:

Mário António Prazeres Lino da Silva (Mário António Prazeres Lino da Silva)

Published in

December 18, 2023

Abstract

O projeto de motores hipersónicos é um desafio multidisciplinar, abrangendo muitos aspectos desde a transferência de calor até escoamento quimicamente reactivo, que devem ser considerados para que o motor funcione, caso contrário não terá um desempenho adequado. Foi realizado um processo de otimização, baseado na teoria das ondas de choque oblíquas, para encontrar um compressor hipersónico mais eficiente que o apresentado no estudo anterior. E a geometria otimizada do compressor, com três ondas de choque (duas externas e uma interna), foi então simulada usando o código CFD SPARK, para diferentes tipo de escoamentos (Gás Perfeito, química Frozen e Non-Equilibrium) para os regimes de Euler e Navier-Stokes. Para a geometria otimizada, também foi realizado um estudo de injeção de combustível Euler para dois ângulos de injeção, como estudo preliminar para trabalhos futuros. Na terceira onda de choque do sistema de compressão, foi realizada uma simulação para uma onda de detonação oblíqua, como prova de viabilidade do compressor otimizado. Ao longo do trabalho foram utilizadas técnicas numéricas e de otimização, nomeadamente, verificação e validação, estabilidade numérica e análise de sensibilidade. The design of hypersonic engines is a multidisciplinary endeavour, encompassing many aspects from heat transfer to the non-equilibrium flow state, which must be considered for the engine to operate, otherwise it will not perform adequately. An optimization process was carried out, based on the theory of oblique shock waves, to find a more efficient hypersonic compressor than the one presented in a previous study in Cardoso's work. And the optimized compressor geometry, with three shock waves (two external and one internal), was then simulated using the CFD code SPARK, for different flow description (Perfect Gas, Frozen and Non-equilibrium chemistry) for Euler and Navier-Stokes regimes. For the optimized geometry, a Euler fuel injection study was also carried out for two injection angles, as a preliminary design for future work. In the third shock wave of compression system, a simulation was carried for an oblique detonation wave, as a feasibility proof of the optimized compressor. Throughout the work, numerical and optimization techniques were used, namely, verification and validation, numerical stability and sensitivity analysis.