Liquid film cooling: development of a 1-D model for thrust chamber thermal protection

Film cooling is an efficient technique capable of protecting the inner surface of liquid rocket engines from the heat flux and strong temperature gradients generated during their operation from the combustion processes. Film cooling consists in the usage of a thin film of coolant, either gaseous or liquid, usually the propellant itself. The film is directed between the surface to be protected and the hot gas stream. The overall effect is the creation of a protective layer that shields the surface to be preserved from the mainstream gas heat flux, in order to grant the structural integrity of the whole engine. This thesis works is collocated within the liquid film cooling context. Due to the currently incomplete knowledge on liquid film cooling systems, strong efforts are conducted in order to develop a model capable of predicting the performances of such a system. The model developed for the Politecnico di Milano Space Propulsion Laboratory (SPLab) tries to improve the capabilities of the current analytical approaches available in open literature by formulating a new way to evaluate the entrainment and roughness phenomena that are responsible for losses in the coolant mass flow rate, experimented during the operation of a liquid film system. The model is validated by means of a numerical approach by considering relevant experiments conducted in the past within the context of liquid film cooling. Moreover, the design of the experimental setup, under construction, at SPLab, is presented. It will allow to further validate the model by means of real-world tests.

Il film cooling è una tecnica di raffreddamento utilizzata in ambito missilistico su motori allo stato liquido, capace di proteggere le pareti interne del sistema dai flussi di calore e dai forti gradienti di temperatura, cui il motore è sottoposto a causa dei gas combusti durante la sua vita operativa. Questa tecnica di raffreddamento consiste nell'utilizzo di un sottile film di refrigerante, liquido o gassoso, solitamente il propellente stesso. Il film viene diretto tra la parete da dover proteggere e i gas prodotti durante la combustione all'interno del motore. L'obbiettivo è quello di creare un layer protettivo che vada a schermare le superfici interne del motore proteggendole e preservandone l'integrità strutturale. Il lavoro descritto in questa tesi si colloca nel contesto del film cooling a liquido. Data la scarsità di informazioni attualmente disponibili in letteratura, l'obbiettivo principale di questa tesi è la creazione di un modello predittivo delle performance di un sistema di film cooling a liquido. Il modello sviluppato per il Laboratorio di Propulsione Spaziale del Politecnico di Milano (SPLab) tenta di migliorare gli attuali studi disponibili in letteratura, andando a implementare una nuova formulazione per descrivere e valutare l'impatto dei fenomeni di entrainment e roughness su un sistema di film cooling a liquido. Il modello viene poi numericamente validato, facendo riferimento ad esperimenti passati disponibili in letteratura. Inoltre, il design della test facility attualmente in costruzione al SPLab, viene descritto e presentato. Questo setup permetterà di validare ulteriormente il modello attraverso test aggiuntivi e i relativi dati sperimentali.