A mathematical model for prediction of film cooling performance in liquid propellant rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorlarında film soğutma performansının tahmini için matematiksel bir model
- Tez No: 782507
- Danışmanlar: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Sıvı Yakıtlı Roket Motorları (SYRM) ağır silahlar ve uzay görevlerinin yapılması için itme sağlamak için yaklaşık 100 yıldır kullanılmaktadır. Genellikle, itki üretmek için kimyasal tepkime sağlamak için bir çift sıvı yakıt kullanırlar. Çift yakıt yanıcı ve oksitleyici olarak çalışır. Yanıcı ve oksitleyici, yakıt besleme sistemi tarafından motora tedarik edilir ve ateşleme bir ateşleyici veya hipergolik reaksiyonlar sayesinde, birbirleriyle temas ettiklerinde spontane ve şiddetli bir şekilde meydana gelir. Ateşleme süreci sonrasında, yanma odasında yanma meydana gelir ve yüksek kimyasal enerji ısı enerjisine dönüştürülür. Daha sonra, bu ısı enerjisi itki için kullanılır ve kinetik enerjiye lüle aracılığıyla dönüşür. Roket motorlarında yanma sıcaklığından dolayı yüksek ısı akışı meydana gelir. Roket motorlarını yüksek ısı akışından korumak ve yapısal bütünlüğünü korumak için birkaç soğutma yöntemi vardır. En yaygın soğutma yöntemleri rejeneratif ve film soğutmadır. Film soğutma, roket motorlarını veya yakıcıları soğutmak için önemli ve yaygın bir tekniktir. Genel olarak film soğutma, rejeneratif soğutma kapasitesinin veya performansının motor duvarını düzgün bir şekilde soğutmak için yeterli olmadığı durumlarda kullanılır. Bu tezde film soğutma prosesi incelenmiştir. Film soğutma sıvı ve gaz film soğutma olarak ikiye ayrılır. Sıvı film soğutma gaz film soğutmaya göre daha verimli bir yöntemdir fakat modellenmesi daha karmaşıktır. Bu tez kapsamında sıvı ve gaz film soğutma, sınır tabakası yaklaşımı kullanılarak matematiksel olarak modellenmiştir. Süreklilik, momentum ve enerji dengeleri korunum kanunları ile sağlanmıştır. Momentum ve enerji dengeleri için integral sınır tabakası yaklaşımı kullanılmıştır. Sıvı film,“Couette akışı”varsayımı altında modellenmiştir. Akış kararsız hale geldiğinde sıvı damlacık sürüklenme durumu modele dahil edilmiştir. Bu, literatürdeki diğer modellerin sonuçlarıyla karşılaştırıldığında test verileriyle iyi bir uyum sağlamıştır. Bu çalışmada, serbest akışın ve motor geometrisinin film soğutma performansı üzerindeki etkileri modele dahil edilmiştir. Gaz film soğutma, türbülanslı akış korelasyonları kullanılarak süreklilik, momentum ve enerjinin korunumu kullanılarak modellenmiştir. Motor duvar sıcaklığı, bir boyutlu ısı transferi kullanılarak modellenmiştir. Tüm bu matematiksel ifadeler, Adams-Moulton İteratif Çözücü şemasıyla ile çözülmüştür. Model MATLAB ortamında kodlanmıştır. Mevcut modelden elde edilen sonuçlar literatürdeki test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Tüm koşularda iyi uyum sağlanmıştır. Hatta, sonuçlar literatürdeki diğer modellerin sonuçlarıyla da karşılaştırılmıştır. Mevcut model, literatürdeki diğer modellerden çok daha iyi performans göstermiştir. Bu çalışmada, film soğutma fenomeninin arkasındaki fiziksel konular kapsanmıştır, böylece matematiksel model daha gerçekçi hale getirilmeye çalışılmıştır. Bu elde edilen matematiksel model elle çözülememektedir çünkü modeldeki denklemlerin birbirlerine bağlı ve nonlineer özellikleri vardır. Bu nedenle, matematiksel model MATLAB ile kodlanmıştır ve modeldeki denklem sistemi sayısal olarak çözülmüştür. Sınır tabaka denklemleri, her eksen istasyonunda silindirik koordinatlarda çözülmüştür. Her adımda, serbest akış akımı, buharlaşma oranı, odalık duvar sıcaklığı, gaz emme ve sıvı emme birlikte çözülür. Belirli parametrelerde yakınsama sağlandıktan sonra, çözüm bir sonraki eksen istasyonunu atlar ve son istasyondaki sonuna kadar devam eder. Kodun temel amacı, sıvı film uzunluğunu ve eksenel sıcaklık dağılımını sağlamaktır. Sıvı ile soğutulmuş uzunluk verileri, mevcut model ve açık literatürdeki ısı transfer deneyleri tarafından sağlanmıştır. Serbest akış sıcaklığı değişiklikleri, tüp çapı, soğutucu akımı, enjeksiyon yöntemi ve serbest akış kütle hızı gibi farklı faktörler için elde edilmiştir. Mevcut modelin sonuçları ve literatürdeki farklı araştırmacılar tarafından elde edilen sonuçlar birbirine benzerdir. Model, aynı zamanda literatürdeki diğer matematiksel modellerle de karşılaştırılmıştır. Mevcut model, farklı araştırmacılar tarafından elde edilen modellerden daha iyi sonuçlar verir. Sıvı soğutucu, motor duvarının yüzeyine uygulanır ve sıcak serbest akış gazıyla birlikte akmaya başlar. Bu, motor duvarının soğutucunun kaynama noktasının altındaki sıcaklıkta kalmasını sağlar. Soğutucun buharlaştığı noktadan sonra, motor daha fazla soğutma almaz. Soğutucu akışı yeterince yüksek olduğunda, motor duvarının yüzeyindeki sıvı filmi yeterince kalın hale gelir ve viskoz kuvvetlerden daha güçlü türbülans devreye girer. Bu, sıvı filminin yüzeyinde dalgaların oluşmasına neden olur ve soğutma sisteminin etkililiğinin azalmasına ve soğutucunun kaybına neden olur. Bu çalışma, soğutma sisteminin etkililiğini azaltmadan tek bir noktada verilebilecek maksimum soğutucu akımının tahmin edilebileceğini bulur. Sonuçlar, verilen yüzey alanını en az soğutucu kullanarak soğutmak için soğutucu akımının motor duvarı boyunca birden fazla noktada dağıtılması gerektiği önerisini içermektedir. Bu, soğutucunun kaybına neden olan karışıklığını oluşmasını önleyecek ve soğutma sisteminin etkililiğini azaltmasını önleyecektir. Sıvı soğutucu, motorun iç yüzeyine, etrafı boyunca uygulanabilir. Sıcak gazlar motor içinden akarken, soğutucuyu aşağı doğru iterek, iç duvarın iç yüzeyinde su dolu bir akış oluşturur. Bu, motorun iç yüzeylerinde bir su soğutma filmi oluşturur. Tüp duvarının sıcaklığı, suyun kaynama noktasına yakın tutulur. Sıvı film buharlaştığında, motor sıvı filmden sonra soğutma etkenliği düşer ve çok fazla soğutulamaz. Soğutucun etkenliğini azaltmadan tek bir noktada maksimum soğutma uzunluğu tahmin edilebilir. Verilen bir yüzey alanını en az soğutucu kullanarak soğutması, soğutma akışının tek bir noktada değil, motor boyunca birden fazla noktada dağıtılması gerektiği anlamına gelebilir. Çalışma, sıvı soğutucunun akış hızı artıkça soğutulan yüzeyin uzunluğunun nispeten orantılı olarak da arttığını ortaya koymuştur. Soğutulan yüzeyin aşağı akışta (downstream) sıvı film buharlaştığında, kalan buhar duvarın termal korunmasına devam eder ve etkin bir gaz film soğutma süreci halini alır. Daha önce belirtildiği gibi, bu fenomen film integral teorisi kullanılarak incelenmiştir ve gaz karışımının etkileri de dikkate alınmıştır. Soğutucunun kütle akış hızı artıkça, motor ve lüledeki adiyabatik duvar sıcaklığının düştüğü görülmüştür. Ancak, enjeksiyon slotunun aşağı akıştaki sıcak gazların artması, gaz filminin etkenliğini azaltmıştır. Subsonik ve süpersonik hızlandırma nedeniyle adiyabatik duvar sıcaklığının hızlı bir şekilde düşmesi de görülmüştür. Çalışma, filmi soğutulmuş roket motorlarının tasarımında kullanılmak üzere uygun çözümler sunabilecek bir degree sahiptir. Basit bir teori olan integral teorisi, sınır tabaka olaylarını doğru bir şekilde modelleyebildiğinden, genel tasarım problemlerinde faydalıdır. Literatürde var olan verilerle karşılaştırma sonuçları bahsi geçen konuyu desteklemiştir. Ayrıca, bu çalışmaların sonuçları boyut analizi kullanılarak incelenmiştir ve bağımsız boyutsuz değişkenlerin film soğutma uzunluğu üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Bu analizden elde edilen veriler, bu çalışmada 210 testin film soğutma uzunluğu koşulları en küçük kareler yöntemi kullanılarak genelleştirilmiştir ve bir korelasyon elde edilmiştir. Bu elde edilen korelasyon, roket motorunun ön tasarım aşamasında film soğutma uzunluğunun tahmini için kullanılabilecek seviyede yüksek bir doğruluğa sahiptir.
Özet (Çeviri)
High heat flux due to combustion temperature occurs in rocket engines. There are several cooling methods for protecting and remaining structural integrity rocket engines from high heat flux. The most common cooling methods are regenerative and film cooling. Film cooling is important and common technique for cooling rocket engines or combustors. Generally, film cooling is used when regenerative cooling capacity or performance is not enough to cool the engine wall properly. In this thesis, the film cooling process was investigated. Liquid and gaseous film cooling were modeled mathematically by using boundary layer approach. Continuity, momentum, and energy balances were achieved by the conservation laws. The integral boundary layer approach was used for momentum and energy balances. The liquid film was modeled under the assumption of“Couette flow”. The liquid droplet entrainment situation when the flow becomes unstable was included in the model. This led to good agreement with test data compared to other model's results in literature. In this study, the free-stream and geometry of engine effects on film cooling performance were included in the model. The gaseous film cooling was modeled by using conservation of continuity, momentum, and energy by using turbulent flow correlations. The chamber wall temperature was modeled by using one-dimensional heat transfer. All these mathematical expressions were solved with an iterative scheme which is Adams-Moulton Implicit Solver. The modeled was coded in MATLAB. The results obtained from the present model were compared to test results in literature. Great agreement was achived for all runs. In fact, the results were also compared to other model's results in literature. The present model performed much better than the other models in literature. The conclusion was validated through comparison with previously obtained data. Furthermore, the outcomes from these studies underwent dimension analysis, leading to the identification of the impact of various dimensionless variables on film cooling length. Based on the data garnered from this analysis, a correlation was derived through the application of least squares method on the generalization of conditions derived from 210 tests conducted in the study. This correlation, owing to its substantial accuracy, can serve as a valuable tool in the initial design phase of a rocket engine for the estimation of film cooling length.
Benzer Tezler
- Benzin motorlarında HC emisyonlarının matematik modellenmesi
A Mathematical model of HC emissions in spark ignition engines
M. İHSAN KARAMANGİL
Doktora
Türkçe
2000
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ALİ SÜRMEN
- Güneş enerjili kurutucunun tasarım parametrelerinin araştırılması
Investigation of design parameters of solar drying
ALP AKIN
- Adsorpsiyon kolonlarında 'break-through' eğrilerinin sayısal çözüm teknikleri ile tahmin edilmesi. Manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan yataklardaki uygulamalar ve deneysel veriler ile karşılaştırılması: Ağır metal iyonlarının sorpsiyonu
Prediction of break-through curves in adsorption columns with numerical solution techniques. Applications in magnetically stabilized fluidized beds and comparison with experimental data: Sorption of heavy metal ions
ZAFER DEMİRCAN
Doktora
Türkçe
2001
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET R. ÖZDURAL
- Yürek mekanizmalarında aşınma ve elastohidrodinamik yağlama
Wear of cam mechanisms and elastohydrodynamic lubrication
İLKNUR KESKİN
Doktora
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA BOZACI
- Akışkan yataklı reaktörde biyolojik denitrifikasyon sürecinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.GÜRKAN DUMLU