Investigation of flashing behavior of water based saline solutions

Green propellants for space propulsion are a growing field of research in anticipation of the future withdrawal from service of toxic liquid monopropellants. Suitable candidates are based on the high-energy inorganic salt, Ammonium Dinitramide (ADN). Injection of liquid propellants under near vacuum conditions can develop jet flashing depending on their degree of superheat. Since the flashing behavior of ADN is still unknown, saline solutions were first investigated in this work. Eight nozzles with different geometry were tested at the test bench M11.2 at the DLR Lampoldshausen site, with varying injection temperatures and pressures. Flashing of water was compared with the non dimensional correlations available in literature for mono-component liquids. Adjustment of the critical flashing prediction was necessary in two-phase effluents because the nozzles were made of plexiglas instead of stainless steel. The jet transition region was defined by fitting the experimental data with a linear regression. The bubble growth model was verified for single-phase critical flashing and the Sauter Mean Diameter was predicted for two-phase flows from droplet dispersion models. Critical flashing of saline solutions was compared to water, as no correlations are yet available for multi-component liquids in near vacuum conditions. Flashing of a 30% urea solution was investigated for a single nozzle configuration. A reduction of the critical superheat and of the back pressure required for flashing was observed.

I propellenti a bassa tossicità sono argomento di ricerca per un prossimo ritiro dal commercio dei monopropellenti liquidi dannosi all'uomo e all'ambiente. Possibili candidati si basano su di un sale inorganico ad alto contenuto energetico, l'ammonio dinitrammide (ADN). L'iniezione di un propellente liquido in condizioni prossime al vuoto può sviluppare vaporizzazione del getto, a seconda del suo grado di sovrariscaldamento. Essendo il fenomeno di vaporizzazione dell'ADN ancora incognito, soluzioni saline sono state esaminate nel presente lavoro. Otto ugelli con diversa geometria sono stati testati all' M11.2 al centro aerospaziale tedesco DLR di Lampoldshausen, variando temperatura e pressione di iniezione. Le condizioni di vaporizzazione per l'acqua supercritica sono state confrontate con le correlazioni adimensionali disponibili in letteratura per liquidi monocomponente. La predizione della vaporizzazione critica è stata riadattata per sovrariscalmento bi-fasico, in quanto gli ugelli sono stati costruiti in plexiglas invece che in acciaio. La zona di transizione del getto è stata definita sulla base di una regressione lineare sui dati sperimentali. Il modello per l'accrescimento dei nuclei è stato verificato nel caso di vaporizzazione monofase, mentre il diametro medio di Sauter è stato ricostruito per fluidi bifase a partire dai modelli di dispersione delle gocce. La vaporizzazione critica di soluzioni saline è stata confrontata con acqua, poichè non si dispone di correlazioni per liquidi multicomponente in condizioni di vuoto. Una soluzione di urea al 30% è stata testata per un singolo ugello. A confronto con l'acqua supercritica si è osservata una riduzione del grado di sovrariscaldamento del liquido e della pressione in camera a vuoto.