Modelling of liquid film cooling in a GOX kerosene rocket combustion chamber

Film cooling is a widely used technique that permits to cool the rocket engines, either alone or in combination with other methods. It consists in the injection of a fluid near the combustion chamber walls through holes, slots, injector elements or special applicators. The structure is protected by the hot gases impact, thus the near-wall gas temperature is reduced and so the heat transfer. This thesis work analyses this technique comparing numerical and experimental results. Experiments were conducted at the subscale combustion chamber test facility of TUM, Technische Universität München, at the Lehrstuhl für Flugantriebe (LFA), the institute for flight propulsion. This thesis work focus on the implementation of new heat transfer coefficient and on new film cooling models, in order to adjust and check the current predictions of the in-house Matlab written code Thermtest. New heat transfer coefficient and film cooling models will be implemented and compared with experimental results to find out the best one to predict the hot wall heat fluxes. After choosing one out of the model investigated, a sensibility analysis has been done varying film cooling thickness and model and the way adiabatic wall temperature is calculated. This model will be then used to simulate the tests with water, instead of kerosene, as film coolant.

La tecnica del film cooling è un metodo ampiamente usato nel raffreddamento dei motori a razzo, sia da solo che in combinazione con altri metodi. Consiste nell'iniezione di un fluido vicino alle pareti della camera di combustione attraverso fori, fessure, iniettori o speciali applicatori. La struttura è protetta dall'impatto con i gas caldi, quindi la temperatura dei gas vicino alle pareti si riduce e di conseguenza si riducono anche i flussi termici. Il lavoro di tesi analizza questa tecnica paragonando risultati numerici a quelli sperimentali. Questi ultimi sono stati condotti alla camera di prova in scala ridotta del TUM, Technische Universität München, di Monaco di Baviera. La tesi si concentra sull'implementazione di nuovi modelli per il film cooling e per il coefficiente di scambio termico, per adattare e verificare le attuali predizioni del codice Matlab Thermtest, sviluppato al TUM. Nuovi modelli di film cooling e per il calcolo del coefficiente di scambio termico saranno implementati e confrontati con i risultati sperimentali per trovare quello che meglio prevede i flussi termici alle pareti. Una volta scelto uno tra i modelli esaminati, è stata eseguita un'analisi di sensibilità variando lo spessore del film, il modello e il modo in cui il programma calcola la temperatura adiabatica di parete, in modo da osservarne il comportamento al variare di questi parametri. Il modello scelto, infine, verrà utilizzato per simulare dei test con l'acqua, invece del kerosene, come refrigerante.