Transient model of a LOx/CH4 micro-combustor for experimental applications

The purpose of this work concerns the development of a transient model of the M3Bk combustion chamber situated at DLR facilities in Lampoldshausen. The M3Bk is a micro-combustor designed to perform atomization and ignition experiments using different propellants on a wide range of injection and combustion conditions. The modeling of M3 is performed by EcosimPro software, a system design program recently developed based on objected-oriented philosophy. Before building the M3 model, some important transient phenomena such as water hammer, pipelines filling, cool-down are separately studied in order to understand the physical background of such complicated aspects. The modeling of two-phase fluid will reveal to be a crucial point in the simulation, since it affects the water hammer, the thermal transfer proprieties and the frequency of oscillation by changing the speed of sound of the fluid. The results of the model built, mainly pressure and temperature plots, will be compared with experimental data of tests run with LOx-CH4. In the case of the M3Bk, measurements of pressure and temperature at injector faceplate are not possible, because of geometrical constraints. The pressure sensor is remote located, causing a time delay and damping effect, aspect that shall be took into account in the system modeling. Moreover, the trapped gas from the cooling procedure (nitrogen) prevent the LOx from coming into contact with the sensor, acting then as a gas accumulator. In the M3 line one of the most relevant phenomenon is the water hammer occurring in the LOx dome: its numerical prediction is acceptable as far as magnitude is concern, but the timing and frequency of oscillations in the lines are mismatching with experimental data. This is likely due to the two-phase fluid equations used by the software and the difficulties to correctly model the sensor line.

l presente lavoro riguarda lo sviluppo di un modello per l'analisi del transitorio di avviamento della microcamera di combustione M3Bk situata presso il centro DLR a Lampoldshausen. La M3Bk è un micro combustore progettato per fini di ricerca nel campo dell'atomizzazione ed ignizione di diversi tipi di propellenti, su un'ampia base di condizioni di iniezione e combustione. I dati sperimentali usati per il confronto con il modello si basano su esperimenti effettuati con LOx-CH4. La modellazione dell'impianto M3 viene fatta mediante software EcosimPro di recente sviluppo, la cui filosofia è del tipo objected-oriented, in particolare si è usata la libreria ESPPS sviluppata in collaborazione con ESA. Data la complessità dei fenomeni relativi al transitorio di start-up per un combustore criogenico, prima di procedere all'implementazione dell'impianto M3 alcuni fenomeni base come colpo d'ariete, riempimento delle linee, raffreddamento dell'impianto vengono analizzati singolarmente e per prendere confidenza con il software e per individuare eventuali aspetti critici della modellazione. Come verrà analizzato in seguito l'aspetto più delicato risulterà essere la modellazione fisica del comportamento del fluido in bifase liquido-gas. A livello operativo l'aspetto più rilevante che emerge dai dati è il fenomeno di colpo d'ariete nella testata di iniezione all'apertura della valvola del LOx; il relativo sensore di pressione risente degli effetti di linea essendo posizionato remoto, infatti pressione e temperatura presso la testata di iniezione non possono essere misurati a causa dell'impossibilità geometrica di posizionare i sensori. Tramite la modellazione è possibile stimare il valore puntuale della sovrappresione nella testata (così come nell'intera linea) e valutare l'effetto di linea del sensore, causa di ritardo temporale e attenuazione della sovrappressione. Dal confronto dei risultati della simulazione con i dati sperimentali si conclude una discreta stima della magnitudo del fenomeno, tuttavia la previsione dell'istante temporale e delle oscillazioni della pressione si dimostrano inadeguate, imprecisione dovuta, come già accennato, alla presenza di ossigeno in bifase, aspetto fisico di difficile modellazione. Inoltre nel sensore risulta essere presente azoto gassoso intrappolato dalla precedente fase di purging delle linee, dato che dovrà essere debitamente tenuto in conto nella modellazione. La linea del metano viene anch'essa modellata, dando meno problematiche essendo allo stato gassoso. Infine un modello completo dell'impianto M3 viene implementato unendo le linee LOx e CH4 separatamente modellate, per poter così analizzare, dopo la fase di combustione (la cui modellazione è estremamente semplificata), la fase di shut-down. Nella modellazione, più di un possibile schema viene considerato cercando un compresso tra complessità del modello e tempo computazionale di risoluzione.