Experimental and numerical cold flow characterization of vortex chamber for in-space propulsion

The increasing demand of compact and reliable propulsion systems for small and medium satellites requires efficient thermal management, combining high performance with reduced mass and complexity. Among the available techniques for liquid rocket engines, vortex-based cooling has emerged as a promising alternative. This thesis investigates the fluid dynamic behavior of a vortex chamber for in-space propulsion, integrating experimental and numerical approaches for a comprehensive cold flow characterization. The main objective is to assess the establishment of a bidirectional vortex, in addition to evaluate the influence of geometry and injection parameters on the internal flowfield. The work represents a preliminary study aiming at the implementation of this type of cooling technology in green bi-propellant thrusters for space applications. An extensive literature review examines the main applications of swirling flows, focusing on propulsion systems. In this context, the experimental campaign involves three phases. Multiple prototypes are designed and tested from both quantitative and qualitative perspectives. Radial pressure gradients at the chamber headwall verify vortex development, while carbon black and outflow visualizations confirm the build-up of the internal flow structure. A Design of Experiment approach evaluates the effects of engine dimensions and mass flow rate on velocity. In parallel, a CFD framework is set up and validated against experimental and literature data. It is then extended to various geometries to assess parametric effects. Mesh independence and convergence studies are performed to ensure solution reliability. The simulations reproduce the whole flow field, capturing its onset and propagation in terms of pressure and velocity. The outcomes of the two approaches show agreement, demonstrating the bidirectional vortex establishment when chamber and injectors are properly designed. The research ultimately provides a benchmark for future hot flow investigations and implementation on lightweight, in-space propulsion systems.

La crescente richiesta di sistemi propulsivi compatti e affidabili per satelliti di piccole e medie dimensioni richiede un controllo termico efficiente, che coniughi alte prestazioni con massa e complessità ridotte. Tra le tecniche disponibili per motori a razzo a propellente liquido, il raffreddamento a vortice è emerso come alternativa promettente. Questa tesi indaga il comportamento fluidodinamico di una camera a vortice per propulsione "in-space", integrando approcci sperimentali e numerici per una caratterizzazione completa del flusso a freddo. L’obiettivo principale è verificare la creazione di un vortice bidirezionale, oltre a valutare l’influenza di parametri geometrici e di iniezione sul campo di moto interno. Il lavoro rappresenta uno studio preliminare che mira all'implementazione di questo tipo di tecnologia di raffreddamento in propulsori bipropellenti "green" per applicazioni spaziali. Un'ampia ricerca di letteratura esamina le principali applicazioni dei flussi vorticosi, soprattutto nei sistemi propulsivi. In tale contesto, la campagna sperimentale, articolata in tre fasi, combina analisi quantitative e qualitative su diversi prototipi. I gradienti radiali di pressione in testata verificano lo sviluppo del vortice, mentre visualizzazioni con carbon black e all’efflusso ne confermano la struttura di moto. Un approccio di "Design of Experiment" valuta gli effetti delle dimensioni del motore e della portata massica sulla velocità. In parallelo, un modello CFD è impostato e validato rispetto a dati sperimentali e di letteratura. È in seguito esteso a varie geometrie per analizzarne gli effetti parametrici. Studi di "mesh independence" e di convergenza comprovano l’affidabilità della soluzione. Le simulazioni riproducono l’intero campo di moto, catturandone l’avvio e propagazione in termini di pressione e velocità. I risultati dei due approcci sono coerenti e dimostrano l’insorgenza del vortice bidirezionale con un adeguato design di camera e iniettori. Da ultimo, l'analisi fornisce un riferimento per future indagini a caldo e per l’implementazione su sistemi leggeri di propulsione "in-space".