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
Thermal gas radiation modelling for CFD simulation of rocket thrust chamber
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]

Methane and oxygen are a promising propellant combination in future rocket propulsion engines mainly due to its advantages like reusability and cost reduction. In order to have a comprehensive understanding of this propellant combination extensive research work is being done. Especially, for reusable rocket engines the thermal calculations become vital as an effective and efficient cooling system is crucial for extending the engine life. The design of cooling channels may significantly be influenced by radiation. Within the framework of this thesis, the gas radiation heat transfer is modelled for CFD simulation of rocket thrust chambers and analysed for the 𝐶𝐻4/𝑂2 fuel combination. The radiation is modelled within ArianeGroup’s in-house spray combustion CFD tool - Rocflam3, which is used to carry out the simulations.

Radiation properties can have strong influence for certain chemical compositions, especially 𝐶𝑂2 and 𝐻2𝑂 which are the products of the 𝐶𝐻4 and 𝑂2 combustion. A simplified gas radiation transport equation is implemented along with various spectral models which compute the gas emissivity for higher temperature. Also, Rocflam-II code which has an existing gas radiation model is used to compare and validate the simplified model. Finally the combination of the convective and radiative heat transfer values are compared to the experimental test data. In contrast to the previously existing emissivity models with a certain temperature limit, the model used here enables the inclusion for the total emissivity of 𝐶𝑂2 and 𝐻2𝑂 for temperatures up to 3400 K and hence more appropriate for hydrocarbon combustion in space propulsion systems.

It turns out that the gas radiation is responsible for 2-4% of the total heat flux for a 𝐶𝐻4/𝑂2 combustion chamber with maximum integrated temperature of 2700 K. The influence of gas radiation would be greater than 4% respective of the integrated temperature. Gas radiation heat flux effects are higher in stream-tube combustion zone compared to the other sections of the thrust chamber. The individual contribution of radiative heat flux by 𝐶𝑂2 was noted to be 1.5-2 times higher than that to 𝐻2𝑂. It was shown that the analytically derived simplified expression for gas radiation along with the various spectral models had reasonable approximation of the measured radiation. The estimated radiation was correct to the measured radiation from the Rocflam-II model for a temperature range of 400-3400 K.

Abstract [sv]

Metan och syre är en lovande kombination av drivmedel i framtida raketframdrivningsmotorer främst på grund av dess fördelar som återanvändbarhet och kostnadsminskning. För att få en omfattande förståelse av denna drivmedelkombination görs ett omfattande forskningsarbete. Speciellt för återanvändbara raketmotorer blir värmeberäkningarna viktiga eftersom ett effektivt och effektivt kylsystem är avgörande för att förlänga livslängden på motorn. Utformningen av kylkanaler kan betydligt påverkas av strålning. Inom ramen för denna avhandling modelleras gasstrålningsvärmeöverföringen för CFD-simulering av rakettryckkamrar och analyseras för 𝐶𝐻4/𝑂2 -bränslekombinationen. Strålningen är modellerad i ArianeGroup’s egen förbränning CFD-verktyg - Rocflam3, som används för att utföra simuleringarna.

Strålningsegenskaper kan ha starkt inflytande för vissa kemiska kompositioner, särskilt 𝐶𝑂2 och 𝐻2𝑂 som är produkterna från förbränningen 𝐶𝐻4 och 𝑂2. En förenklad gasstrålningstransportekvation implementeras tillsammans med olika spektralmodeller som beräknar gasemissiviteten för högre temperatur. Dessutom används Rocflam-II-kod som har en befintlig gasstrålningsmodell för att jämföra och validera den förenklade modellen. Slutligen jämförs kombinationen av konvektiva och strålningsvärmeöverföringsvärden med de experimentella testdata. Till skillnad från de tidigare existerande utsläppsmodellerna med en viss temperaturgräns möjliggör modellen som används här att inkludera den totala emissiviteten för 𝐶𝑂2 och 𝐻2𝑂 för temperaturer upp till 3400 K och därmed mer lämplig för kolväteförbränning i rymdframdrivningssystem.

Det visar sig att gasstrålningen svarar för 2-4% av det totala värmeflödet för en 𝐶𝐻4/𝑂2 förbränningskammare med maximal integrerad temperatur på 2700 K. Påverkan av gasstrålning skulle vara större än 4% av den integrerade temperaturen. Effekter på värmeströmning av gasstrålning är högre i strömrörs förbränningszon jämfört med de andra sektionerna av tryckkammaren. Det individuella bidraget från strålningsvärmeflöde med 𝐶𝑂2 noterades vara 1.5-2 gånger högre än det 𝐻2𝑂. Det visades att det analytiskt härledda förenklade uttrycket för gasstrålning tillsammans med de olika spektralmodellerna hade en rimlig tillnärmning av det uppmätta strålning. Den uppskattade strålningen var korrekt den uppmätta strålningen från Rocflam-II-modellen för ett temperaturintervall på 400-3400 K.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 73
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:561
Keywords [en]
Gas radiation, thrust chamber, CFD, heat transfer, Rocflam3, methane.
Keywords [sv]
Gasstrålning, tryckkammare, CFD, värmeöverföring, Rocflam3, metan.
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-264357OAI: oai:DiVA.org:kth-264357DiVA, id: diva2:1373069
External cooperation
ArianeGroup
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-26 Created: 2019-11-26 Last updated: 2019-11-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6003 kB)2 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6003 kBChecksum SHA-512
9c3383632da21cc0b236e24edfe3090ace8e7bf0207bf144523c7e6a3d025fec1ae24fc14258949f1a2a22a9d021c7cdc73e9d1df6ce1d175747e9c727741bb2
Type fulltextMimetype application/pdf

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

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 2 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: 5 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