Heat transfer phenomena inside a scramjet engine

The study of supersonic combustion has made the main topic of considerable research along the last century. The first idea of a scramjet occurred in France more than 100 years ago. Slowly, the new concept contoured and it transformed in an actual engine that can operate efficiently at extremely high speeds. Along with the many advantages of the model, many problems and issues have also appeared. This paper focuses on one of the many complex issues that need to be dealt within a scramjet. The study of this thesis starts from an experimental hypersonic airbreathing engine being considered as starting data for the calculation of the convective heat transfer inside the engine. A mathematical model called The Eckert Reference Enthalpy method is being implemented to compute the heat transfer. The method focuses on computing a reference enthalpy that will play a major role in the following computations. An initial case where the thermodynamic properties were considered constant and not temperature dependent was computed to obtain rough values of the parameters. Secondly, a case where the thermodynamic properties were considered along with their temperature dependence was studied and an iteration was needed to be performed in order to obtain the best results. In the end, after obtaining the convective heat flux, another iteration was set in order to calculate the new wall temperature, and further the convective heat coefficient. The engine length is one meter long and a stripe of one centimetre was considered as a space step, thus all the parameters are computing along the engine’s length. In the last chapter, the results are being presented and explained, followed by a future work and improvements that can be performed topic.

Lo studio della combustione supersonica ha costituito argomento di considerevoli attività di ricerca nel corso dell'ultimo secolo. La prima idea di scramjet è nata in Francia più di 100 anni or sono. Lentamente, il nuovo concetto si è delineato e si è trasformato in un vero motore in grado di funzionare in modo efficiente a velocità estremamente elevate. Oltre ai numerosi vantaggi della soluzione scramjet sono tuttavia comparsi anche molti problemi. Questa tesi si concentra su una delle molte complesse questioni che devono essere trattate nell’ambito del progetto di uno scramjet. Lo studio condotto nella tesi parte da un modello sperimentale, installato in un tunnel supersonico, la cui caratterizzazione fornisce i dati di partenza per il calcolo del trasferimento di calore convettivo all'interno del motore. Un modello matematico basato sul metodo di entalpia di riferimento di Eckert è utilizzato per calcolare il trasferimento di calore. Il metodo si concentra sul calcolo di un'entalpia di riferimento che svolge un ruolo importante nello sviluppo del modello stesso. Un caso iniziale in cui le proprietà termodinamiche sono state considerate costanti e non dipendenti dalla temperatura è stato preso in esame per ottenere i primi e approssimativi valori dei parametri. In secondo luogo, è stato studiato un caso in cui sono state considerate le proprietà termodinamiche insieme alla loro dipendenza dalla temperatura ed è stata necessaria un'iterazione per ottenere risultati più accurati. Alla fine, dopo aver ottenuto il flusso di calore convettivo, è stata impostata un'altra iterazione per calcolare la nuova temperatura della parete e ulteriormente il coefficiente di calore convettivo. La lunghezza del motore è pari a un metro e per il calcolo viene considerato un passo spaziale di un centimetro; quindi tutti i parametri vengono calcolati lungo la lunghezza del motore. L'ultimo capitolo della tesi presenta e commenta i risultati ottenuti, seguiti dalle conclusioni del lavoro e dalle prospettive di lavoro futuro.