The use of natural gas with high methane content as rocket fuel has gained substantial industrial attention over the past number of years. Several actors including SpaceX and Blue Origin are developing natural gas powered rocket engines. Attention is also shown from GKN Aerospace, a Sweden-based aerospace engine development company, who together with KTH Royal Institute of Technology has initiated the MERiT project. The project is intended to investigate different aspects of methane powered engines. The project is centered around a physical test rig of a rocket nozzle cooling channel along with an ANSYS CFX simulationmodel of the same rig to investigate the operation. The rig is heated from one side to simulate the boundary conditions of a real rocket nozzle. This report is a follow-up to the previous work by Pettersson (2019), which determined rig design points for two channel geometries (channel 3, channel 4) and studied the behaviours and limitations in regards to overheating, cooling and coking. The channels feature outlet diffusers transitioning from rectangular to circular cross sections. The inputs investigated were mass flow, inlet temperature, outlet pressure and heat flux. Following the discovery of flow separation occurring in the rig at certain design points, it was suggested that a parametric study of the outlet diffuser angle could investigate the effect on separation in the outlet diffuser of the rig channel geometry. This is the task at hand in this thesis, and a complementary investigation on the effect heat flux has on separation is also performed for single selected diffuser angles. To achieve this, the full rig model geometry is first reduced to its core components to reduce simulation run time, and the parametric diffuser is implemented for both channel geometries. The mesh and the model definition is then adjusted to accommodate the changes made, by for example replacing the full rig heater block with a constant heat flux boundary condition. After this, a total of 40 test cases of different diffuser angle and heat flux combinations are used to establish trends in the behaviour of the separation. The results show that separation occurs more easily for the channel 3 configuration, which sees separation occur for lower diffuser angles and heat flux settings. The separation grows diminishinly as the heat flux and diffuser angle is increased. The separation onset location is found to consistently be in the corners of the outlet diffuser, after which it expands and rotates into the symmetry plane further downstream. The channel 4 solution convergence is found to be increasingly poor for higher diffuser angles, which suggests the solutions may be transient in nature. The Reynolds and Mach number is found to be correlated to the heat flux applied but no conclusion can be made about their link to separation for the cases studied. / Användningen av naturgas med hög metanhalt som raketbränsle har fått stor industriell uppmärksamhet under de senaste åren. Flera aktörer inklusive SpaceX och Blue Origin utvecklar naturgasdrivna raketmotorer. Intresset visas även från GKN Aerospace, ett Sverige-baserat företag som bland annat utvecklar raketmotorer, som tillsammans med KTH Royal Institute of Technology har påbörjat ett projekt kallat MERiT. Projektet är avsett att undersöka olika aspekter av metandrivna raketmotorer. Projektet kretsar kring en fysisk testrigg modellerad efter ett raketmunstyckes kylkanal och en simuleringstvilling i ANSYS CFX av samma rigg för att undersöka funktionaliteten av metan i den här kontexten. Riggen värms upp från ena sidan för att simulera randvillkoren hos ett riktigt raketmunstycke i drift. Denna rapport är en uppföljning till ett tidigare arbete av Pettersson (2019), som bestämde testriggens giltiga designpunkter för två kanalgeometrier (kanal 3, kanal 4) och studerade beteenden och begränsningarna när det gäller överhettning, kylning och koksning. Inputs som undersöktes var massflöde, inlopsstemperatur, utloppstryck och värmeväxling. Kanalerna har en diffusor vid utloppet som övergår från ett cirkulärt till rektangulärt tvärsnitt. Efter att flödessepareration upptäcktes i riggen vid vissa designpunkter föreslogs det att en parametrisk studie av diffusorvinkeln kunde undersöka hur separationen beror på diffusorvinkeln i utloppets diffuser. Detta är uppgiften här och en kompletterande undersökning av värmeväxlingens effekt på flödesseparation utförs också för enstaka valda diffusorvinklar. För att genomföra detta reducerades först testriggen till dess fundamentala delar för att minska simuleringarnas beräkningstid, efter vilket den parametriska diffusorn var implementerad för båda kanalgeometrier. Meshningen uppdaterades för att ta hänsyn till förändringarna i geometrin, och ändringar gjordes även i modeldefinitionen för att återställa korrekt funktion. Dessa ändringar inkluderar att ersätta värmeblocket från den fullständiga riggen med ett randvillkor med konstant värmeväxling. Därefter testades total 40 olika fall av diffusorvinkel och värmeväxling med syftet att fastslå trender i beteendet hos flödesseparationen med avseende på värmeväxling och diffusorvinkel. Resultaten visar att separation inträffar först för kanal 3, som påträffar flödesseparation för både lägre diffusorvinklar och värden av värmeväxling. Mängden separation växer avtagande när diffusorvinkeln och värmeväxlingen ökas. För de studerade fallen börjar alltid separationen i hörnet på utloppets diffusor, för att sedan expandera nedströms och rotera in i symmetriplanet. Lösningskonvergensen för kanal 4 visar sig vara sämre och sämre för ökande diffusorvinklar, vilket möjligen tyder på att de sanna lösningarna är transienta. Reynoldstalet och machtalet visar på korrelation till värmeväxlingens värde, men ingen slutsats kan dras om hur separationen påverkas av dessa tal för de studerade fallen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-299946 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Älfvåg, Hector |
| Publisher | KTH, Farkostteknik och Solidmekanik, KTH, Kraft- och värmeteknologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2021:418 |
Page generated in 0.0022 seconds