LRE exhaust plume impinging on a normal flat plate: a preliminary numerical and thermal analysis

During rocket launching, the engine exhaust impinges on the launch structures, inducing large thermal loads on them and the rocket, the overload of which is a potential risk to the rocket launch. In the present work, the thermal load on the launch platform of a LOX/kerosene Liquid Rocket Engine plume has been studied. The analyses involved an axisymmetric 2D domain with SST−k−ω as turbulence model, while for the afterburning reactions a 9-species 10-step chemical kinetic mechanism has been used. The launch platform has been translated into a normal flat plate in the simulation, with a constant nozzle-to-plate distance of 24.32m. A simplified method, previously used only with experimental data in the case of a cold jet cooling down a heated plate with small-scale nozzles, has been applied to recover the wall Nusselt number: five simulations with five different constant heat fluxes at the wall have been carried out, in order to obtain the values of the wall temperatures to then find the heat transfer coefficient and the adiabatic wall temperature by simply interpolating the convective heat transfer equation. Standard Nusselt number correlations have been tested in order to verify their validity when applied to the heavy launchers field, showing important discrepancy probably due to the very high Reynolds number of the analyzed case.

Durante le prime fasi di lancio, i gas di scarico impattano sulle strutture di lancio, portando a grandi carichi termici su di esse e sul razzo stesso, il cui sovraccarico è un potenziale rischio per la missione. In questo lavoro è stato studiato il carico termico sulla piattaforma di lancio di un getto di un motore a propellente liquido LOX/kerosene. Le analisi hanno coinvolto un dominio 2D assialsimmetrico con il modello di turbolenza SST−k−ω, mentre per le reazioni di postcombustione è stato utilizzato un meccanismo cinetico chimico a 9 specie e 10 passi. La piattaforma di lancio è stata tradotta nelle simulazioni in una piastra piana normale al getto, con una distanza costante dall’ugello di 24, 32m. Un metodo semplificato, precedentemente utilizzato solo con dati sperimentali nel caso di un getto freddo che raffredda una piastra riscaldata con ugelli di piccola scala, è stato applicato per ottenere il numero di Nusselt della parete: sono state effettuate cinque simulazioni con cinque diversi flussi di calore costanti alla parete, al fine di ottenere i valori delle temperature della parete per poi trovare il coefficiente di scambio termico e la temperatura della parete adiabatica interpolando semplicemente l’equazione del flusso di calore per convezione. Correlazioni standard del numero di Nusselt sono state testate per verificarne la validità nel campo dei lanciatori pesanti, mostrando differenze importanti probabilmente dovute al molto alto numero di Reynolds del caso sotto analisi.