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. / 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.

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. / 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.