Numerical simulation of liquid rocket engine cooling channels

Resumen

El disseny de subsistemes de propulsió de motors coet criogènics de combustible líquid amb càrregues tèrmiques i mecàniques importants, és un procés itaratiu i complexe. El resultat final és una combinació de mètodes analítics, numèrics, d'experiments dedicats a certs components, i de la verificació del motor complet. Unes de les parts amb càrregues majors són la cambra de combustió i la tovera. En motors amb una pressió de combustió elevada, el refrigerament es regeneratiu a la cambra o en certs casos de desfet a la tovera. El disseny dels sistemes de refrigeració es un compromís entre pèrdua de rendiment i assegurar la vida del motor. S'ha d'assolir el major rediment possible tot i garantint l'integritat del motor durant el vol. Tant la comunitat científica com l'indústria aeroespacial estan dedicant recursos al desenvolupament de mètodes numèrics d'alta precisió per reduir els costos del disseny i de la part experimental associada. Aquesta tèsi es dedica a modelar el ?uid i la transferència de calor en canals de refrigeració de motors coets líquid. Als canals de refrigeració hi circula un flux amb un nombre de Reynolds elevat i alta transferència de calor. Per obtenir un model físic complet, s'ha de tenir en compte la rugositat a les parets dels canals, així com les propietats termodinàmiques dels refriger- ants. La rugostiat es té en compte mitjan¿cant models anomenats de grans de sorra, que defineixen les quantitats dels models de turbulència a les parets. Aquests models són vàlids des de parets llises fins a parets amb un grau de rugositat elevat. La transferència de calor ha estat ajustada amb relació als treballs experimentals de més rellevància a la literatura científica. Les propietats de la termodinàmica dels combustibles o refrigerants es generen a un mòdul separat. Aquest conté equacions d'estat generals i particulars, vàlides tant per líquids com per gasos. Les propietats es guarden a una taula, la qual es llegida pel programa de simulació de fluids DLR-Tau code. Els resultats dels mètodes numèrics desenvolupats es comparen amb un experiment representatiu, que ha estat posat a disposició per EADS-Astrium Ottobrunn dins del marc del projecte de cooperació Propulsion 2010. En una primera part, s'analitza el camp de temperatures i els canvis de les prediccions amb relació als paràmetres de l'experiment. En una segona part, una simulació termomecànica posa de manifest els efectes de la deformació dels canals durant el seu funcionament. Aquest fenòmen es conegut a la literature com l'efecte dog-house a la cambra de combustió i bulging a la tovera i orignia un augment de les càrregues tèrmiques. Paraules clau: motor coet líquid, canals de refrigeració, transferència de calor, ru- gositat, interacció fluid-estructura