Implementação e validação de código para cálculo aerotermodinâmico de difusores supersônicos não-ideais

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e a validação de uma ferramenta computacional para a análise e o projeto preliminar de difusores supersônicos, visando preencher a lacuna existente entre métodos analíticos simplificados e simulações de alta fidelidade. A metodologia adotada consistiu em uma abordagem híbrida, integrando modelos teóricos de escoamento compressível unidimensional e bidimensional (choques oblíquos) com correções de desempenho baseadas em dados de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Para a validação do modelo não-ideal, foram realizadas simulações numéricas de um difusor do tipo Pitot axissimétrico utilizando o software ANSYS Fluent, replicando as condições de operação de um motor turbofan de referência derivado do CFM56-7B, proposto para aeronaves supersônicas civis. Os resultados obtidos no módulo de análise ideal demonstraram consistência numérica e física, reproduzindo com precisão exemplos clássicos da literatura. No módulo não-ideal, a comparação com dados de referência revelou desvios inferiores a 1% para a recuperação de pressão total nos pontos de projeto. Adicionalmente, a ferramenta foi capaz de gerar curvas características de desempenho, mapeando a eficiência do difusor em regimes subcríticos e supercríticos. Conclui-se que a ferramenta desenvolvida oferece uma solução ágil e robusta para as fases iniciais de projeto, permitindo a estimativa rápida de perdas viscosas e margens de estabilidade sem o custo computacional proibitivo de simulações CFD em tempo real.

The present work aimed at the development and validation of a computational tool for the preliminary design and analysis of supersonic inlets, seeking to bridge the gap between simplified analytical methods and high-fidelity simulations. The methodology adopted consisted of a hybrid approach, integrating theoretical models of one-dimensional and two-dimensional compressible flow (oblique shocks) with performance corrections based on Computational Fluid Dynamics (CFD) data. For the validation of the non-ideal model, numerical simulations of an axisymmetric Pitot inlet were performed using ANSYS Fluent software, replicating the operating conditions of a reference turbofan engine derived from the CFM56-7B, proposed for civil supersonic aircraft. The results obtained in the viscous analysis module demonstrated numerical consistency and physical accuracy, precisely reproducing classic literature examples. In the non-ideal module, the comparison with reference data revealed deviations of less than 1% for total pressure recovery at design points. Additionally, the tool was capable of generating performance characteristic curves (Cane Curves), mapping the inlet efficiency in subcritical and supercritical regimes. It is concluded that the developed tool offers an agile and robust solution for early design phases, allowing for the rapid estimation of viscous losses and stability margins without the prohibitive computational cost of real-time CFD simulations.