Numerical and experimental analysis of the 2-phase transient flow in satellite feed line systems

The present work is part of a larger study on transient flows that is carried out by the Engine Transient group of DLR Lampoldshausen. The main theme is the experimental and numerical study of fluid transient phenomena such as water-hammer and priming, aimed at the validation of the software EcosimPro with library ESPSS developed by ESA (European Space Agency) for the preliminary sizing of the propulsion subsystem. The work is divided into three main parts. The first section consists in a preliminary study of the physical phenomenon in all its peculiarities. This study is aimed to provide a good knowledge of analytical models, the results of which are used to predict and interpret experimental results. Moreover, these analytical models are the basic models on which the most sophisticated models, implemented in software, are developed. The knowhow derived by analytical formulas results and analysis will be used later to read and modify the lines of software code in a coherent way. The second section provides a description of the test bench and the procedures used for the experimental campaign. Additionally it is presented a first analysis of the results obtained giving special emphasis on the pressure measurements. In the third and final section a comparison between numerical and experimental results is given and commented to make the validation of the numerical results obtained by EcosimPro simulations. The development and implementation of the Brunone unsteady friction model is performed in order to obtain a better description of the pressure wave behavior with regard to the damp.

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del più ampio studio di flussi transitori che è argomento di ricerca del gruppo del DLR di Lampoldshausen. Il tema fondante è lo studio sperimentale e numerico del fenomeno chiamato ‘priming’ finalizzato alla convalida del sofware di simulazione numerica EcosimPro, utilizzato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) per il dimensionamento preliminare del sottosistema propulsivo. Il lavoro è suddiviso in tre studi principali. La prima sezione è dedicata a un’analisi preliminare a trecentosessanta gradi del fenomeno fisico; lo studio si concretizza nell’utilizzo di modelli analitici, i cui risultati sono la rappresentazione semplificata alla base del fenomeno analizzato. Tali modelli costituiscono, quindi, la base su cui sono sviluppati i più raffinati modelli implementati nel software. La così ottenuta competenza delle formule analitiche è stata usata successivamente per una lettura e modifica consapevole delle linee di codice del software. Nella seconda sezione viene presentata la descrizione del banco prova, della metodologia e delle procedure utilizzate per la campagna sperimentale. Viene, inoltre, presentata l’analisi preliminare dei risultati ottenuti dando particolare rilievo alle misurazioni di pressione. Nella terza e ultima sezione le conoscenze derivantidalle due precedenti convergononella validazione e ottimizzazione dei modelli fisici codificati, attraverso la comparazione dei risultati numerici delle simulazioni del software con quelli sperimentali. All’interno di questa campagna di validazione, in particolare, è stato implementato il modello instazionario di Brunone per il calcolo del coefficiente di attrito al fine di fornire una descrizione più coerente dello smorzamento delle oscillazioni.