Numerical Simulation of Liquid Rocket Engine Cooling Channels

El disseny de subsistemes de propulsio de motors coet criogenics de combustible liquid amb carregues termiques i mecaniques importants, es un proces itaratiu i complexe. El resultat final es una combinacio de metodes analitics, numerics, d'experiments dedicats a certs components, i de la verificacio del motor complet. Unes de les parts amb carregues majors son la cambra de combustio i la tovera. En motors amb una pressio de combustio elevada, el refrigerament es regeneratiu a la cambra o en certs casos de desfet a la tovera. El disseny dels sistemes de refrigeracio es un compromis entre perdua 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 cientifica com l'industria aeroespacial estan dedicant recursos al desenvolupament de metodes numerics d'alta precisio per reduir els costos del disseny i de la part experimental associada. Aquesta tesi es dedica a modelar el ?uid i la transferencia de calor en canals de refrigeracio de motors coets liquid. Als canals de refrigeracio hi circula un flux amb un nombre de Reynolds elevat i alta transferencia de calor. Per obtenir un model fisic complet, s'ha de tenir en compte la rugositat a les parets dels canals, aixi com les propietats termodinamiques dels refriger- ants. La rugostiat es te en compte mitjan?cant models anomenats de grans de sorra, que defineixen les quantitats dels models de turbulencia a les parets. Aquests models son valids des de parets llises fins a parets amb un grau de rugositat elevat. La transferencia de calor ha estat ajustada amb relacio als treballs experimentals de mes rellevancia a la literatura cientifica. Les propietats de la termodinamica dels combustibles o refrigerants es generen a un modul separat. Aquest conte equacions d'estat generals i particulars, valides tant per liquids com per gasos. Les propietats es guarden a una taula, la qual es llegida pel programa de simulacio de fluids DLR-Tau code. Els resultats dels metodes numerics desenvolupats es comparen amb un experiment representatiu, que ha estat posat a disposicio per EADS-Astrium Ottobrunn dins del marc del projecte de cooperacio Propulsion 2010. En una primera part, s'analitza el camp de temperatures i els canvis de les prediccions amb relacio als parametres de l'experiment. En una segona part, una simulacio termomecanica posa de manifest els efectes de la deformacio dels canals durant el seu funcionament. Aquest fenomen es conegut a la literature com l'efecte dog-house a la cambra de combustio i bulging a la tovera i orignia un augment de les carregues termiques. Paraules clau: motor coet liquid, canals de refrigeracio, transferencia de calor, ru- gositat, interaccio fluid-estructura