Working state map of regenerative cooling system for different structures

Development and progress in regenerative cooling by endothermic hydrocarbon fuel (HF) is one of the most important steps for thermal management of supersonic or hypersonic aircraft. Considering variation on the operative condition of this vehicle occurs continuously, maintain the fuel working in proper states is a priority to maximize its cooling potential. Based on precedent work, this one proposed and establishes working state map of HF using n-decane as representative coolant fuel for different structures. Risking Zone (RZ), Thermal Cracking Zone (TCZ), Supercritical Zone (SupZ) and Subcritical Zone (SubZ) are obtained for different geometries via large-scale simulation of flowing and heat transfer in circular tube for different heat flux (0.2 – 4.0 MW/m2 ), inlet mass flow rate (0.5 – 10 g/s), tube length (500 – 1000 mm), three diameter (0.5 – 0.75 – 1.0 mm) and two operative pressure (3.45 MPa and 5.0 MPa). Working State Map for each case are obtained and the one of main interest are analysed in detail. Several structures are correlated with three critical lines, separating the four zone, to deduct best structures for different operative conditions. To achieve this, numerical simulations are performed with CFD software ANSYS Fluent. Mesh sensitivity analysis is implemented to determine the best size/accuracy relationship for the grid, where the CFD results are validated comparing with past work. Innovation and new perspective of regenerative cooling are considered to improve and optimize regenerative cooling system for next hypersonic aircraft generations.

Lo sviluppo ed il progresso nel raffreddamento rigenerativo attraverso combustibili endotermici idrocarburici, è una tappa importante per la gestione termica dei veivoli supersonici o ipersonici. Le continue variazioni presenti in questo genere di veivoli modificano spesso le condizioni operative, mantere il fluido in una condizione operativa appropriata per massimiziare il potenziale di raffreddamento è una priorità. Continuando gli studi effettuati precendentemente sull’argomento, questo progetto di tesi si propone e stabilisce particolari grafici sullo stato di lavoro dei combustibili idrocarburici utilizzando un n-decano come fluido refrigerante rappresentativo per differenti strutture. La Zona di Rischio (RZ), la Zona di Cracking Termico (TCZ), la Zona Supercritica (SupZ) e la Zona Subcritica (SubZ) sono ottenute per differenti geometrie tramite una ampia serie di simulazioni di flusso e scambio di calore in un tubo per differenti flussi di calore (0.2 – 4.0 MW/m2 ), portata di flusso all’ingresso (0.5 – 10 g/s), lunghezza del tubo (500 – 1000 mm), tre diametri (0.5 – 0.75 – 1.0 mm) e due pressioni operative (3.45 MPa e 5.0 MPa). Molti grafici sono stati ottenuti e quelli maggiormente interessanti sono stati analizzati nel dettaglio. Le strutture analizzate sono correlate con tre linee critiche, separanti le quattro zone prima citate, per ottenere le migliori strutture per differenti condizioni operative. Per ottenere questi risultati è stato usato un simulatore numerico di CFD, ANSYS Fluent. L’analisi mesh è stata implementata per determinare la migliore relazione tra accuratezza e dimensioni della gliglia, i risultati sono stati convalidati attraverso il confronto con lavori passati. L’innovazione e le nuove prospettive dei raffreddamenti rigenerativi sono considerati per ottimizzare le prestazioni della futura generazione di veivoli ipersonici.