CFD modelling and simulation of a microgravity water multiphase flow in a 3D printed heat exchanger for space propulsion applications

The growing demand for miniaturized and cost effective space systems has driven fast improvement in small satellite propulsion technologies. Among the new green propulsion solutions, water-based systems have considered due to their non-toxicity, wide availability and favorable thermodynamic properties. In this context, Capsule Corporation has developed WaterCube, an innovative propulsion system for CubeSat and SmallSat applications. Its core component is the Vaporization Cell (VC), which converts subcooled liquid water into superheated vapor through two sequential stages, a helical coil, where phase change from liquid to saturated vapor occurs, and a lattice-structured chamber designed to achieve superheated conditions. The present work develops a computational framework for the numerical modeling of the VC. Due to geometric complexity, conjugate heat transfer (CHT) and phase change phenomena, a decoupled hybrid strategy is adopted. A zerodimensional thermal model is used to set the global energy balance and power distribution. The helical coil is then simulated with a transient Eulerian multiphase approach, validated against the DEBORA experiment. Its output provides inlet conditions for the lattice chamber, simulated under steady-state assumptions with chtMultiRegionSimpleFoam using a Representative Elementary Volume (REV) approach to reduce computational cost. Results are compared with thermocouple measurements and a sensitivity analysis assesses the influence of mass flow rate and thermal power on system performance, providing a reliable tool for VC design and optimization.

La crescente domanda di sistemi spaziali miniaturizzati ed più economici ha guidato veloci progressi nelle tecnologie di propulsione per piccoli satelliti. Tra le soluzioni di propulsione verde emergenti, i sistemi a base d’acqua hanno suscitato notevole interesse grazie alla loro non tossicità, ampia disponibilità e favorevoli proprietà termodinamiche. In questo contesto, Capsule Corporation ha sviluppato WaterCube, un innovativo sistema di propulsione per applicazioni CubeSat e SmallSat. Il componente centrale è la Cella di Vaporizzazione (VC), che converte acqua liquida sottoraffreddata in vapore surriscaldato attraverso due stadi sequenziali: una serpentina elicoidale, dove avviene il cambiamento di fase da liquido a vapore saturo, e una camera con struttura a reticolo progettata per raggiungere le condizioni di surriscaldamento. Il presente lavoro sviluppa un framework computazionale per la modellazione numerica della VC. A causa della complessità geometrica, del trasferimento di calore coniugato (CHT) e dei fenomeni di cambiamento di fase, viene adottata una strategia ibrida disaccoppiata. Un modello termico zero dimensionale stabilisce il bilancio energetico globale e la distribuzione della potenza. La serpentina elicoidale è quindi simulata con un approccio multifase Euleriano transitorio, validato con i dati sperimentali dell’esperimento DEBORA. Il suo output fornisce le condizioni di ingresso per la camera a reticolo, modellata in regime stazionario con chtMultiRegionSimpleFoam mediante un approccio a Volume Elementare Rappresentativo (REV) per ridurre il costo computazionale. I risultati sono confrontati con misure di termocoppie e un’analisi di sensitività valuta l’influenza della portata massica e della potenza termica sulle prestazioni del sistema, fornendo un modello affidabile per la progettazione e l’ottimizzazione della VC.