Gerenciamento térmico de aeronaves: simulação numérica de uma asa como trocador de calor de superfície integrado ao escoamento de combustível
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Data
2024-07-05
Autores
Orientador
Morsch Filho, Edemar 
Coorientador
Pós-graduação
Curso de graduação
São João da Boa Vista - FESJBV - Engenharia Aeronáutica
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Trabalho de conclusão de curso
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
O gerenciamento térmico de aeronaves é uma área crítica na engenharia aeronáutica, essencial para garantir a eficiência operacional e a segurança dos voos. Com a eletrificação das aeronaves e seus sistemas, a demanda energética aumentou, trazendo novos desafios para a dissipação do calor gerado. Este trabalho avalia o desempenho do uso do combustível como fluido térmico em um trocador de calor de superfície localizado na asa de uma aeronave comercial. Com base na asa do Boeing 777, foi desenvolvido um modelo de trocador de calor contendo dutos, por onde o combustível que transporta calor dos sistemas da aeronave flui. O estudo analisou o desempenho do trocador de calor durante o voo de cruzeiro e com a aeronave parada em solo, utilizando vazões mássicas de 1 kg/s e 10 kg/s para o combustível que entra no sistema, considerando configurações geométricas do trocador de calor em paralelo e em série (formato serpentina). Para isso, foram configuradas simulações em CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizando o software Ansys CFX. As simulações adotaram as hipóteses de escoamento em regime permanente e incompressível, sem forças de campo e fez-se o uso do modelo de turbulência k-ε. Os resultados indicam que o trocador de calor é mais eficiente em voo de cruzeiro, com maior vazão mássica e geometria em serpentina. A configuração em serpentina apresentou maiores taxas de transferência de calor, mas requer uma grande pressão de entrada do combustível, enquanto a configuração em paralelo oferece resultados mais modestos de transferência de calor, porém opera sob pressões significativamente mais baixas. Este estudo demonstra que o uso da asa como trocador de calor de superfície integrado ao escoamento do combustível é uma potencial solução para o gerenciamento térmico das aeronaves comerciais.
Resumo (inglês)
Aircraft Thermal Management is a critical area in aeronautical engineering, essential for ensuring operational efficiency and flight safety. With the electrification of aircraft and their systems, energy demand has increased, bringing new challenges for dissipating the generated heat. This work evaluates the performance of using fuel as a thermal fluid in a surface heat exchanger located on the wing of a commercial aircraft. Based on the Boeing 777 wing, a heat exchanger model containing ducts, through which the fuel carrying heat from the aircraft systems flows, was developed. The study analyzed the performance of the heat exchanger during cruise flight and with the aircraft stationary on the ground, using mass flow rates of 1 kg/s and 10 kg/s for the fuel entering the system, considering geometric configurations of the heat exchanger in parallel and in series (serpentine format). For this, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were configured using Ansys CFX software. The simulations adopted the assumptions of steady and incompressible flow, without field forces, and used the k-ε turbulence model. The results indicate that the heat exchanger is more efficient during cruise flight, with higher mass flow and serpentine geometry. The serpentine configuration showed higher heat transfer rates but requires a large fuel inlet pressure, while the parallel configuration offers more modest heat transfer results but operates under significantly lower pressures. This study demonstrates that using the wing as a surface heat exchanger integrated with the fuel flow is a promising solution for thermal management of commercial aircraft.
Descrição
Palavras-chave
Idioma
Português
Como citar
TAZITU, L. S. Gerenciamento térmico de aeronaves: simulação numérica de uma asa como trocador de calor de superfície integrado ao escoamento de combustível. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Aeronáutica) — Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2024.