Simulation of liquid film cooling in thrust chamber thermal control: use of wall-film methods

Film cooling is a particularly promising cooling strategy for rocket systems, protecting surfaces exposed to high temperatures. The cooling strategy consists of injecting a liquid or gaseous cooling fluid to create a protective layer between the solid wall and the hot gas flow, drastically lowering the convective heat flux to the engine walls. The optimal design of this strategy requires a deep understanding of the interactions between the cooling jet and the main flow, which depends on several factors such as injector geometry and pressure, fluid temperatures, turbulence and mass flow rates. In this context, a wall film model has been developed in OpenFOAM 10 and validated against experimental data available in the literature. A numerical study has been conducted to reduce the computational time of RP-1 combustion models available in the literature. RP-1 has been replaced by its surrogate C12H24, and its liquid phase has been integrated into the OpenFOAM library. Chemistry reduction techniques based on TDAC have been implemented and validated against NASA-CEA combustion simulation results, setting the stage for the simulation of the wall-film model applied to an RP-1 combustion chamber.

Il film cooling è una strategia di raffreddamento particolarmente promettente per i sisstemi a razzo, in quanto protegge le superfici esposte a temperature elevate. La strategia di raffreddamento prevede l’iniezione di un fluido, liquido o gassoso, al fine di creare uno strato protettivo tra la parete solida e il flusso di gas caldo, riducendo significativamente il trasferimento di calore verso le pareti della camera del motore. La progettazione ottimale di questa strategia richiede una comprensione approfondita delle interazioni tra il getto di raffreddamento e il flusso principale, che dipende da diversi fattori quali la geometria degli iniettori e la pressione, la temperatura dei fluidi, la turbolenza del flusso e la portata del liquido. In questo contesto, è stato sviluppato un modello di film a parete in OpenFOAM 10 e validato attraverso dati sperimentali disponibili in letteratura. Inoltre, è stato condotto uno studio numerico per ridurre il tempo di calcolo dei modelli di combustione del RP-1 raccolti dalla documentazione scientifica. RP-1 è stato sostituito dal suo surrogato C12H24, e la sua fase liquida è stata integrata nella libreria di OpenFOAM. Le tecniche di riduzione chimica basate sul metodo TDAC sono state implementate e validate confrontando i risultati con le simulazioni di combustione del software NASA-CEA, preparando il terreno per l’utilizzo di un modello di film a parete applicato a una camera di combustione per RP-1.