Thermo-hydro modelling of fluid behaviour in cryogenic tanks for reusable rocket launcher

The optimization of cryogenic tank pressurization is a key challenge for the design of future reusable launch systems. This thesis presents a numerical study of thermo-hydrodynamic phenomena which happen during the active-pressurization, relaxation and sloshing of a cryogenic tank filled with liquid Nitrogen and pressurized by gaseous Nitrogen under normal gravity. The simulations are done with the software CONVERGE CFD and the goal is to reproduce the reference experiment carried out by Ludwig and Dreyer. The numerical model is implemented with Volume of Fluid (VOF) and Lee phase change model. Adaptive mesh refinement and fixed embeddings are used to precisely resolve key regions such as the liquid/gas interface or the diffuser inlet. Numerous configurations are tested to assess the influence of the mesh resolution, the bulk modulus, turbulence modeling, initial thermal stratification and pressurant gas injection temperature on pressure and temperatures evolution. Simulation results show good agreement with experimental pressure and temperature profiles during the pressurization and relaxation phases, particularly in capturing the pressure rise and subsequent drop driven by condensation. However, limitations are observed in fully reproducing the magnitude of the condensation mass and the post-injection pressure decay, highlighting the challenges in accurately tuning phase change parameters and resolving steep gradients in stratified zones. To solve the problem of computational cost, an axisymmetric 2D version of the case is developed and evaluated against the 3D configuration. Overall, this work demonstrates the capability of CFD to reproduce key physical mechanisms involved in cryogenic tank behavior and provides validated numerical strategies for future design and optimization of pressurization systems in reusable launchers.

L'ottimizzazione della pressurizzazione dei serbatoi criogenici è una sfida fondamentale per la progettazione dei futuri sistemi di lancio riutilizzabili. Questa tesi presenta uno studio numerico dei fenomeni termo-idrodinamici che avvengono durante la pressurizzazione attiva, l'espansione e lo sloshing di un serbatoio criogenico riempito di azoto liquido e pressurizzato da azoto gassoso in condizioni di gravità normale. Le simulazioni sono effettuate con il software CONVERGE CFD e l'obiettivo è riprodurre l'esperimento di riferimento condotto da Ludwig e Dreyer. Il modello numerico è implementato con il modello Volume of Fluid (VOF) e Lee phase change. L'affinamento adattativo della maglia e le incorporazioni fisse sono utilizzate per risolvere con precisione regioni chiave come l'interfaccia liquido/gas o l'ingresso del diffusore. Sono state testate numerose configurazioni per valutare l'influenza della risoluzione della maglia, del modulo di massa, della modellazione della turbolenza, della stratificazione termica iniziale e della temperatura di iniezione del gas pressurizzante sull'evoluzione della pressione e delle temperature. I risultati della simulazione mostrano un buon accordo con i profili sperimentali di pressione e temperatura durante le fasi di pressurizzazione e espansione, in particolare nel catturare l'aumento di pressione e il successivo calo guidato dalla condensazione. Tuttavia, si osservano dei limiti nel riprodurre pienamente l'entità della massa di condensazione e il decadimento della pressione post-iniezione, evidenziando le difficoltà nel regolare accuratamente i parametri del cambiamento di fase e nel risolvere i gradienti ripidi nelle zone stratificate. Per risolvere il problema del costo computazionale, è stata sviluppata una versione 2D asimmetrica del caso e valutata rispetto alla configurazione 3D. Complessivamente, questo lavoro dimostra la capacità della CFD di riprodurre i meccanismi fisici chiave coinvolti nel comportamento dei serbatoi criogenici e fornisce strategie numeriche convalidate per la futura progettazione e ottimizzazione dei sistemi di pressurizzazione nei lanciatori riutilizzabili.