Numerical study of an isothermal slush flowfor aerospace propulsion applications

• Autorzy: Di Batista Ruben , Scelzo Maria Teresa , Vetrano Maria Rosaria

Identyfikatory

DOI

10-2478/tar-2019-0011

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna izotermicznego przepływu sluszu na potrzeby zastosowań w napędach lotniczych i kosmicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Slushes are two-phase solid-liquid single-species cryogenic fluids that exhibit an increased density and a greater heat capacity with respect to the corresponding normal boiling point liquids. These promising features are of large interest for applications that exploit slush as a thermal fluid, like super magnets refrigeration, cryogenic cooling of bio-materials or air conditioning, and for aerospace systems that use slush fluids as fuel or oxidizer. Several programs in the frame of the research on Slush Hydrogen (SLH2) as a new-generation fuel for aerospace propulsion have been started in the past. This work was carried out in the framework of a VKI research activity promoted by the Predict ESA Technology Research Programme, to investigate experimentally and numerically the behavior of slush flows in a representative upper stage feeding line. In this paper, we present a simulation based on a granular two-fluid model on an isothermal solid liquid mixture (slurry) and a Nitrogen slush (SLN2) fluid flowing in a horizontal pipe. A finite-volumes discretization using the software library OpenFOAM was benchmarked against experimental and numerical literature data, to assess the accuracy of the code in predicting pressure drops along the pipe axis and solid particle distribution across the pipe diameter. Moreover, the effects of concentration and inlet velocity are investigated. We show that the numerical model fairly reproduces the literature data in terms of important aspects as the solid volume fraction distribution and the pressure drops, especially for high flow rates.

PL

Niejednorodna mieszanina fazy stałej i ciekłej tego samego składnika (ang. slush) jest dwufazową cieczą kriogeniczną która charakteryzuje się zwiększoną gęstością i pojemnością cieplną w porównaniu z odpowiadającymi im cieczami o normalnej temperaturze wrzenia. Te obiecujące właściwości wzbudzają duże zainteresowanie w aplikacjach wykorzystujących taką mieszaninę jako wymiennik ciepła, w zastosowaniach takich jak: chłodzenie supermagnesów, kriogeniczne chłodzenie biomateriałów lub klimatyzacja. W systemach kosmicznych mieszaninę fazy stałej i ciekłej (ang. slush), wykorzystuje się jako paliwo albo utleniacz. W przeszłości rozpoczęto kilka programów w ramach badań nad slush-em wodorowym (SLH2) jako paliwem nowej generacji dla napędów lotniczych i kosmicznych. Praca opisana w niniejszym artykule została wykonana w ramach działalności badawczej VKI wspieranej przez „Predict ESA Technology Research Programme”. Miała na celu zbadanie, za pomocą eksperymentu i symulacji numerycznych, zachowania przypływów slash-u w modelowej linii zasilania silnika górnego stopnia rakiety. W artykule przedstawiono, opartą na granularnym modelu, symulację przepływu izotermicznego w poziomej rurze dwóch cieczy: mieszaniny ciało stałe – ciecz (klasyczna zawiesina) i slash-u azotowego (SLN2). Użyto dyskretyzacji metodą objętości skończonych oraz programów z biblioteki OpenFoam, otrzymane wyniki zestawiono z danymi eksperymentalnymi i symulacyjnymi dostępnymi w literaturze. W szczególności zbadano jak dokładnie przybliżony model przewiduje spadek ciśnienia wzdłuż rury oraz dystrybucję stałych cząstek w przekrojach poprzecznych rury. Co więcej sprawdzono wpływ warunków 95 brzegowych na wlocie (rozkładu koncentracji cząstek stałych w niejednorodnej mieszaninie oraz prędkości) na wyniki. Pokazano, że zastosowany model numeryczny wykazuje dobrą zgodność opublikowanym już danymi pod względem istotnych aspektów, takich jak udział objętościowy frakcji stałej oraz spadek ciśnienia wzdłuż rury, zwłaszcza dla dużego natężenia przepływu.

Słowa kluczowe

EN

fluid dynamics; space propulsion; multiphase flows; CFD; cryogenics; slush flows

PL

dynamika płynów; napęd kosmiczny; przepływy wielofazowe; kriogenika; przepływy niejednorodnej mieszaniny

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 2 (255)
• Strony: 82--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Di Batista Ruben

• Environment and Applied Fluid Dynamics, von Karman Institute for Fluid Dynamics, 72, Chaussée de Waterloo, 1640 Rhode Saint Genèse, Belgium

autor

Scelzo Maria Teresa

• Environment and Applied Fluid Dynamics, von Karman Institute for Fluid Dynamics, 72, Chaussée de Waterloo, 1640 Rhode Saint Genèse, Belgium

autor

Vetrano Maria Rosaria

• Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering Science, KU Leuven, 300 Celestijnenlaan, 3001 Leuven, Belgium

Bibliografia

• [1] A. Friendlander, R. Zubrin and T. L. Hardy, “Benefits of slush hydrogen for space missions,” Cryogenics, vol. 10, no. 5, pp. 372-380, 1970.
• [2] C. Sindt, A summary of the characterization study of slush hydrogen, vol. 10, Cryogenics, 1970, pp. 372-380.
• [3] Dumont, Etienne, Stappert, Sven, Ecker, Tobias, Wilken, Jascha, Karl, Sebastian, Krummen, Sven, Sippel and Martin, “Evaluation of Future Ariane Reusable VTOL Booster stages,” in roceedings of the International Astronautical Congress, IAC. 68th International Astronautical Congress, Adelaide, (2017).
• [4] J. Ishimoto and R. Ono, “Numerical study of the two-phase flow characteristics of slush nitrogen,” Cryogenics , vol. 45, no. 4, pp. 304-316, 2005.
• [5] P. Crivellari, L. del Monte and F. Gamma, “Computational fluidynamics of hydrogen for aerospace vehicles,” in 35th Joint Propulsion Conference, Los Angeles, 1999.
• [6] K. Ohira, A. Ota, Y. Mukai and T. Husono, “Numerical study of flow and heat-transfer characteristics of cryogenic slush fluid in a horizontal circular pipe (SLUSH-3D),” Cryogenics, vol. 52, no. 7, pp. 428-440, 2012.
• [7] D. P. Hill, “The computer simulation of dispersed two-phase flow,” University of London, 1998.
• [8] H. Rusche, “Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fractions,” University of London, 2003.
• [9] D. Gidaspow, Multiphase flow and fluidization: continuum and kinetic theory descriptions, Academic press, 1994.
• [10] B. G. M. van Wachem, “Derivation, implementation, and validation of computer simulation models for gas-solid fluidized beds.,” 2000.
• [11] P. C. Johnson and R. Jackson, “Frictional–collisional constitutive relations for granular materials, with application to plane shearing,” Journal of fluid Mechanics, vol. 176, pp. 67-93, 1987.
• [12] D. R. Kaushal and Y. Tomita, “Solids concentration profiles and pressure drop in pipeline flow of multisized particulate slurries.,” International journal of multiphase flow, vol. 28, no. 10, pp. 1697-1717, 2002.
• [13] K. Ohira, K. Nakagomi and N. Takahashi, “Pressure-drop reduction and heat-transfer deterioration of slush nitrogen in horizontal pipe flow.,” Cryogenics, vol. 51, no. 10, pp. 563-574, 2011.
• [14] Y. Jiang and P. Zhang, “Numerical investigation of slush nitrogen flow in a horizontal pipe,” Chemical engineering science, pp. 169-180, May 2012.
• [15] Y. Jiang and P. Zhang, “Pressure drop and flow pattern of slush nitrogen in a horizontal pipe,” AIChE journal, vol. 59, no. 5, pp. 1762-1773, May 2013.
• [16] R. Durand and E. Condolis, Experimental investigation of the transport of solids in pipes, Deuxieme Journée de lhydraulique, Societé Hydrotechnique de France, 1952.
• [17] T. Li and S. Benyahia, “Evaluation of wall boundary condition parameters for gas–solids fluidized bed simulations,” AIChE Journal, vol. 53, no. 10, pp. 3624-3632, 2013.

Uwagi

EN

1. The present work has been developed as a M.Sc. graduation thesis for the degree of Aeronautical Engineering at Politecnico di Milano in a joint partnership with VKI. The work has been funded by the scholarship prize Borsa Tesi all’estero from Politecnico Di Milano and a Short Training Program scholarship from VKI.

PL

2. Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).