Mathematical Modeling of Transpiration Cooling in Cylindrical Domain

Abstract

ABSTRACT: This research is conducted to develop numerical schemes modeling one-dimensional steady-state non-equilibrium transpiration cooling in Si-C porous materials. The transpiration cooling process is assumed to be used to protect the thrust chamber of a liquid rocket engine by blocking the enormous heat transfer towards its walls. The flow modeling within the porous media is performed through applying numerical schemes to the compressible flow of the coolant in cylindrical coordinates. The results of this modeling are validated by the experimental results obtained from a study in the University of Stuttgart. Also, a numerical method is developed to solve the equations of hot gases which are flowing through the nozzle in order to provide the hot boundary condition of the porous segment. The flow equations within the porous medium are solved separately, to analyze the important parameters affecting the transpiration cooling process. The effect of coolant mass flow rate, hot face boundary condition type, gas type, and sample length are observed as well. Moreover, the internal convective heat transfer between solid structure and the coolant flow is studied. The porous solver code is then coupled with the gas solver code so that the cooling process can be studied in a more realistic area. The results show the variation of gas properties through the nozzle the effect of transpiration cooling on them. Also, a sample method of controlling the nozzle wall temperature is demonstrated. Keywords: Transpiration cooling, cylindrical, porous media, thrust chamber.

………………………………………………………………………………………………………………………… ÖZ: Bu araştırma Si-C gözenekli malzemelerde tek boyutlu, kararlı durumda, denge dışı terleme soğutmanın sayısal şema modellemesinin geliştirilmesi için yapılmıştır. Terleme soğutma işlemi sıvı roket motorunun itme odasını korumak için odanın duvarlarına karşı muazzam ısı transferini engeller. Gözenekli ortam içinde akış modelleme, soğutucunun sıkıştırılabilir akışı silindirik eşgüdüm içinde sayısal düzenler uygulanarak gerçekleştirilir. Bu modellemenin sonuçları Stuttgart Üniversitesi’nde yürütülen bir çalışmadan elde edilen deneysel sonuçlar tarafından doğrulanmaktadır. Ayrıca, gözenekli parçanın sıcak sınır koşulunu sağlamak için ağızlık boyunca akan sıcak gazların denklemlerini çözmek için sayısal yöntem geliştirilmiştir. Terleme soğutma sürecini etkileyen önemli parametreleri analiz etmek için gözenekli ortamda akış denklemleri ayrı ayrı çözülmüştür. Soğutucu kütle akış oranının etkisi olarak sıcak yüz sınır koşulu türü, gaz türü ve numune uzunluğu gözlenmektedir. Ayrıca, katı yapı ve soğutucu akış arasındaki iç konvektif ısı transferi incelenmiştir. Gözenekli çözücü kod daha sonra gaz çözücü kod ile birleştirilir, böylece soğutma işlemi daha gerçekçi bir alanda incelenebilir. Terleme soğutma etkisini ağızlık boyunca gaz özelliklerini degiştirerek gösterir. Ayrıca, ağızlık duvar sıcaklığının kontrol edilmesi için örnek yöntem gösterilmiştir. AnahtarKelimeler: terleme soğutma, silindirik, gözenekli malzemeler, itme odası.