Experimentelle Untersuchung von Druckschlägen in Wasser und kryogenem Stickstoff in Bezug auf das Versorgungssystem von Raketentriebwerken

Klein, Sebastian; Jeschke, Peter; Manfletti, Chiara; Oschwald, Michael

doi:HT030824408

Experimentelle Untersuchung von Druckschlägen in Wasser und kryogenem Stickstoff in Bezug auf das Versorgungssystem von Raketentriebwerken = Experimental investigation of pressure surges in water and cryogenic nitrogen with regard to the supply system of rocket engines

Klein, Sebastian^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Klein

ImpressumKöln : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheForschungsbericht / DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ; 2024,06

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Oschwald, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Manfletti, Chiara (Thesis advisor) ; Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06954
DOI: 10.57676/1vsz-a321
10.57676/1vsz-a321
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/989723/files/989723.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Erforschung transienter Strömungen ist in diversen Anwendungsfeldern von größtem Interesse, da durch das Phänomens des Fluidhammers enorme Druckschläge in strömungstechnischen Systemen auftreten und diese beschädigen können. In Raketenmotoren ist dies von besonderer Bedeutung, da eine Beschädigung des Systems das Scheitern der Mission bedeutet. Hinzu kommt, dass Raketentriebwerke möglichst leicht sein müssen um eine möglichst schwere Nutzlast transportieren zu können. Typische Vermeidungsstrategien wie Drucktanks zur Dämpfung des Fluidhammers sind daher ebenso wenig möglich wie überdimensionierte Wandstärken, bezogen auf den stationären Betrieb des Systems. In einer Vielzahl der heute eingesetzten Raketenmotoren werden kryogene, reaktive Fluide verwendet. Die in der Entwicklung des Triebwerks notwendige Untersuchung der Strömungstransienten bringt bei Verwendung der Treibstoffe ein hohes Risiko mit sich. Um dieses Risiko zu minimieren, können inerte Surrogate wie Wasser als nicht-kryogenes Fluid und flüssiger Stickstoff als kryogenes Fluid verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Druckstöße in beiden Fluiden zu untersuchen und miteinander zu vergleichen um potentielle Unterschiede zu identifizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Auswirkungen der durch den Fluidhammer induzierten Kavitation in Ventilnähe. Deren Dauer und räumliche Ausbreitung wird untersucht und mit dem Prasser-Modell verglichen, wobei bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten in beiden Fluiden eine gute Übereinstimmung festgestellt wird. In Wasser treten unregelmäßige Druckspitzen während der Kavitation sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase auf. In flüssigem Stickstoff wird stattdessen eine Druckwelle beobachtet die gut mit der gängigen Fluidhammer-Theorie übereinstimmt. Während der Kavitation wird der Lärmpegel in der Flüssigphase gemessen, dadurch konnte gezeigt werden, dass die Kavitation in Wasser deutlich mehr Lärm erzeugt als in Stickstoff. Des Weiteren wird in beiden Fluiden beobachtet, dass die Kavitation als akustische Randbedingung fungiert. Auf der Suche nach einer möglichen Erklärung für die beobachteten Prozesse während der Kavitation wird das Blasenwachstum mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse der Rayleigh-Plesset-Gleichung systematisch untersucht. Das Resultat dieser Analyse offenbart, dass die Blasengröße in flüssigem Stickstoff um mehrere Größenordnungen kleiner ist als in Wasser. Abschließend werden die Surrogate mit realen Treibstoffen anhand verschiedener Parameter verglichen um zu identifizieren welches Surrogat welchen Treibstoff in Entwicklungstests adäquat ersetzen kann.

The investigation of transient flows is of great interest in various application fields, as the phenomenon of water hammer can lead to significant pressure surges in fluid systems and cause damage to them.In rocket engines, this is of particular significance, as system damage can result in mission failure. Furthermore, rocket propulsion systems need to be as lightweight as possible to carry the heaviest possible payload. Common avoidance strategies, such as pressure tanks to dampen water hammer effects or oversized walls with regard to the steady-state operation, are not feasible. In a wide range of recent rocket engines, cryogenic and reactive fluids are used. The necessary investigation of flow transients during engine development carries a high risk when using these propellants. To minimise this risk, inert surrogates such as water as a non-cryogenic fluid and liquid nitrogen as a cryogenic fluid can be used.The aim of this work is to investigate and compare pressure surges in both fluids to identify potential differences. The focus is on the effects of cavitation induced by the fluid hammer near the valve. Its duration and spatial propagation are investigated and compared with the Prasser model, showing good agreement at high flow velocities in both fluids. In water, irregular pressure peaks occur during cavitation in both the gas phase and the liquid phase. In contrast, a pressure wave is observed in liquid nitrogen that aligns well with the established fluid hammer theory. The noise level during cavitation in the liquid phase is measured, demonstrating that cavitation in water produces significantly more noise than in nitrogen. Furthermore, cavitation is observed to act as an acoustic boundary condition in both fluids. In the search for an explanation of the processes observed during cavitation, bubble growth is systematically analyzed using a sensitivity analysis of the Rayleigh-Plesset equation. The outcome of this analysis reveals that the bubble size in liquid nitrogen is several orders of magnitude smaller than in water.Finally, the surrogates are compared with the actual propellants on the basis of on various parameters to identify which surrogate can adequately replace which propellant in development testing.

OpenAccess:
PDF
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