Effective boundary conditions for transpiration cooling applications

König, Valentina; Herty, Michael; Müller, Siegfried

doi:HT021568171

Effective boundary conditions for transpiration cooling applications = Effektive Randbedingungen für Transpirationskühlungsanwendungen

König, Valentina^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Valentina König, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Englische und deutsche Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Siegfried (Thesis advisor)^RWTH* ; Herty, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09672
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854621/files/854621.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
effective boundary conditions (frei) ; transpiration cooling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510

Kurzfassung
Die Verwendung von Transpirationskühlung mit Kohlenstoff/Kohlenstoff(C/C)-Schubkammerauskleidungen gilt als neues innovatives Kühlungskonzept, das zu Verbesserungen in fortschrittlichen Raketentriebwerken führen kann. Zusätzlich zu Experimenten bieten numerische Strömungssimulationen eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die physikalischen Phänomene der Transpirationskühlung zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wird ein effektives Modell entwickelt, das die Transpirationskühlung unter Berücksichtigung von mikroskaligen Effekten an der Grenzfläche zwischen einer Heißgasströmung und einer Porösen-Medium-Strömung simuliert ohne die mikroskaligen Poren aufzulösen. Die Herleitung der allgemeinen Strategie basiert auf Upscaling und besteht aus drei Modellen: dem Multiskalenmodell, dem Nullte-Ordnung-Modell und dem effektiven Modell, wobei die beiden letzteren auf der Mikroskala operieren. Hier beschreibt das Multiskalenmodell die lokale Injektion eines Kühlmittels durch eine große Anzahl von Injektionskanälen in Porengröße. Dieses wird zur Herleitung geeigneter Zellprobleme und zur Validierung des effektiven Modells aufgestellt. Für letzteres werden effektive Randbedingungen unter Verwendung eines Upscaling-Ansatzes entwickelt. Zur Validierung des effektiven Modells werden numerische Berechnungen vorgestellt. Des Weiteren wird der Einfluss der mikroskaligen Effekte auf den Wärmetransport bei turbulenter Strömung über einemporösen Material untersucht. Alle Berechnungen basieren auf Windkanalversuchen, die am ITLR Stuttgart mit einer am DLR Stuttgart hergestellten porösen C/C-Probe durchgeführt wurden. Für die Einblasrate F = 0,1% werden die numerischen Lösungen der drei Modelle hinsichtlich der Temperaturverteilung, der Wandschubspannung, des Wandwärmestroms und der Kühleffizienz miteinander verglichen. Die numerischen Berechnungen zeigen, dass die vorhergesagte Kühleffizienz bei einer lokalen Injektion (Mikroskala) im Vergleich zu einer gleichmäßigen Injektion (nullte Ordnung) reduziert wird. Dieser Effekt spiegelt sich in der effektiven Berechnung wider. Somit liefert das effektive Modell eine genauere Näherung als die Nullte-Ordnung-Lösung. Weiterhin ist das effektive Modell im Vergleich zu einer voll aufgelösten Multiskalenberechnung wesentlich effizienter wie ein Vergleich der Anzahl der Gitterzellen und der Rechenzeiten belegt.

Using transpiration cooling with carbon/carbon (C/C) thrust chamberliner is identified as a new innovative cooling concept that can lead to improvement in advanced rocket engines. In addition to experiments, computational fluid dynamics simulations offer an efficient and low costpossibility to investigate the physical phenomena of transpiration cooling. In the present work an effective model is developed that simulates transpiration cooling taking microscale effects at the interface between ahot gas flow and a porous medium flow into account without resolving the microscale pores. The derivation of our general strategy is based on upscaling and consists of three models: the multiscale model, the zeroth-order model and the effective model, where the latter two models operate on the macroscale. Here the multiscale model captures the local injection of a coolant through a large number of pore size injection channels. It is set up to derive appropriate cell problems on the microscale and to validate the effective model. For the latter effective boundary conditions are developed using an upscaling approach. To validate the effective model numerical computations are presented. Furthermore, the influence of the microscale characteristics on the heat transport in turbulent flow over a porous material is investigated. All computations are based on wind tunnel experiments performed at the ITLR Stuttgart with a porous C/C sample produced at the DLR Stuttgart. For the injection rate F = 0.1% the numerical solutions of the three modelsare compared to each other in terms of temperature distribution, wall shear stress, wall heat flux and cooling efficiency. Numerical computations show that the predicted cooling efficiency is reduced when using a local injection (multiscale) in comparison to a uniform injection (zerothorder). This effect is reflected in the effective computation. Thus, the effective model provides a more accurate approximation than the zeroth order solution. Furthermore, the effective model is significantly more efficient compared to a fully resolved multiscale computation. This is confirmed by comparing the amount of grid cells and computational times.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)