Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Cooling Potential of Methane in Rocket Nozzle Cooling Channels: A Conjugate Heat Transfer Analysis
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The use of hydrocarbons as fuel in rocket propulsion has been of great interest to the aerospace industry in recent years. Specifically, natural gas with a high content of methane has taken the interest of several actors, among them Sweden-based GKN Aerospace who in collaboration with KTH Royal Institute of Technology have started the MERiT project. In this project, the potential of methane as a fuel is explored through conjugate heat transfer analysis of a cooling channel geometry on a test rig. The goal is partly to find what the cooling potential of the methane is, and partly to determine the risks of thermal cracking occurring in the cooling channel.

This report aims to provide a CFD analysis of the behavior of a test rig developed in earlier stages of the project. The analysis is to be used to provide design points that real experiments can be based upon. Studied behaviors include limitations regarding overheating, choke in the cooling channel and efficiency of the rig. In addition to this, the fluid temperature is studied in order to provide an estimate of which design points provide the highest potential risk of thermal cracking. In experiments, this potential risk is to be evaluated and explored in order to judge the viability of methane as a fuel.

From this thesis a database of design points has been built regarding two potential channel geometries with different alloy materials. The post process and gathering of data are designed in such a way that specific behaviors can be monitored depending on a specific input. Inputs include mass flow, heat flux, inlet temperature and outlet pressure of the test rig. These were parametrized such that 243 specific design points could be examined for each channel geometry. Concluding this thesis, it was found that 131 of the cases examined for the first channel geometry were within the realm of being useful, and that a few cases fall within the realm of being at risk for coking. The risk for choke in the cooling channel is apparent at high mass flows and low pressures. The efficiency is heavily tied to heat flux and inlet temperature but shifts to be more dependent on Reynold’s number when cases with unintended behavior are filtered out.

Abstract [sv]

Användningen av kolväten som bränsle i syfte att driva rymdfarkoster har intresserat flyg- och rymdindustrin under de senaste åren. Naturgas med ett högt innehåll av metan har fångat intresset av flera aktörer, däribland Sverige-baserade GKN Aerospace som i ett samarbete med KTH Kungliga Tekniska Högskolan har startat projektet MERiT. Projektet avser att utforska metans potential som bränsle genom en kombinerad värmeöverföringsanalys för en kylkanal i en raketmotordysa. Målet är delvis att fastställa vilken kylningspotential metan har samt att undersöka när koksning uppstår i kylkanalen.

Den här rapporten ämnar kartlägga arbetet med en CFD-modell med avsikten att fastställa beteendet för en testrigg som utvecklats i tidigare delar av projektet. Analysen skall användas som en databas för att generera designpunkter som kan användas i verkliga experiment. De beteenden som studeras inkluderar begränsningar på grund av överhettning, chokning på grund av överljudshastigheter och hur effektivt gasen absorberar värmen som flödar in i riggen. Utöver detta studeras gasens temperatur i ett försök att kartlägga fall som har högst risk för koksning. Denna risk skall utvärderas och utforskas genom verkliga experiment för att bedöma hur pålitligt metan är som bränsle.

Från denna studie har databaser av designpunkter genererats för två kanalgeometrier innehållande två olika legeringsstål. Efterbehandlingen och insamlingen av data från databaserna är upplagda på ett sådant sätt att specifika beteenden kan studeras beroende på en specifik input. Dessa inputs inkluderar massflöde, värmeväxling, inloppstemperatur och utloppstryck för testriggen. För att utveckla processen sattes dessa upp i parametrar som genererade 243 unika designpunkter för varje kanalgeometri. Sammanfattningsvis var 131 av designpunkterna för den första kanalen användbara, samt att vissa av dessa hamnar inom vad som kan konstateras ett temperaturområde som riskerar koksning. Risken för chokning i kylkanalen är tydlig vid höga massflöden och låga utloppstryck. Den övergripande effekten av riggen fanns vara starkt knuten till värmeväxling och inloppstemperatur, men går över till att vara mer beroende av Reynoldstalet när oönskade fall sorteras bort.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 112
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:388
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-264355OAI: oai:DiVA.org:kth-264355DiVA, id: diva2:1373060
External cooperation
GKN Aerospace Sweden
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-26 Created: 2019-11-26 Last updated: 2019-11-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7836 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7836 kBChecksum SHA-512
215e98a2dbc2d6538f5a4c59357101380206fc41bd5d49c5d8207ed5272dab2b0ea11db9e85d26b91010f1bcfdac512a64ad74ab495e1fae2468427d1b1a12d7
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 37 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf