Validating CFD simulations of Cryogenic Nitrogen and Ammonia Injection for rocket propulsion: experimental comparison

In the field of space propulsion, dense cryogenic nitrogen is injected into environments at pressures exceeding its critical value. Under such conditions, the effects of real gas cannot be ignored when conducting Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. An appropriate equation of state and reliable models for transport properties are crucial for obtaining solid results. In this study, Reynolds-Averaged-Simulations (RAS) are performed to accurately model these complex dynamics. Utilizing a cubic equation of state (Peng-Robinson) and viscosity and thermal conductivity suitable for modeling real gases, the simulations presented here examine a circular jet of nitrogen injected into a chamber containing nitrogen at ambient temperature and a pressure greater than the critical one. Two different scenarios are explored: transcritical injection (high density) and supercritical injection (low density). Additionally, simulations of ammonia injection have been conducted using the same methodology and validated with available experimental data. Once again, RAS simulations were employed. The CFD simulation software used is OpenFOAM. The results of these simulations have demonstrated a strong agreement with experimental data.

Nel campo della propulsione spaziale, l'azoto criogenico denso viene iniettato in ambienti a pressioni che superano il valore critico. In tali condizioni non si può prescindere dagli effetti di gas reale, quando si vogliono operare simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Una adeguata equazione di stato e dei modelli affidabili per le proprietà di trasporto sono cruciali per l'ottenimento di risultati attendibili. In questo studio simulazioni CFD di tipo Reynolds-Averaged-Simulation (RAS) sono svolte per modellare accuratamente queste dinamiche complesse. Avvalendosi di un'equazione di stato cubica (Peng-Robinson), e di coefficienti di viscosità e conducibilità termica adatti alla modellazione di gas reale, le simulazioni qui presenti esaminano un getto circolare di azoto iniettato in un serbatoio in cui è presente azoto alla temperatura ambiente e ad una pressione maggiore di quella critica. Sono esplorate due diverse situazioni: iniezione transcritica (alta densità) e iniezione supercritica (bassa densità). Inoltre, sono state condotte simulazioni dell'iniezione di ammoniaca, impiegando la stessa metodologia, e sono state validate con dati sperimentali disponibili. Anche in questo caso si è ricorso all'impiego di simulazioni di tipo (RAS). Il software di simulazione CFD utilizzato è OpenFOAM. I risultati di queste simulazioni hanno dimostrato una forte concordanza con i dati sperimentali.