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Dependency of Surface Temperature on Coolant Mass Flow and Heat Flux in Rocket Combustion Chambers

Kringe, Pascal und Bürger, Chris und Riccius, Joerg und Zametaev, Evgeny und Oschwald, Michael und Gernoth, Andreas und Soller, Sebastian und Lehmann, Marcus und Reese, Stefanie (2022) Dependency of Surface Temperature on Coolant Mass Flow and Heat Flux in Rocket Combustion Chambers. In: 2022 IEEE Aerospace Conference, AERO 2022. 2022 IEEE Aerospace Conference (AERO), 2022-03-05 - 2022-03-12, Big Sky, Montana, USA. doi: 10.1109/AERO53065.2022.9843694. ISBN 978-166543760-8. ISSN 1095-323X.

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Kurzfassung

This paper presents the simulation and experimental results of the dependency of the surface temperature of a heat transfer test (HTT) panel representing liquid rocket engine combustion chamber geometry on the coolant mass flow rate and heat flow rate. The HTT panel is made of a high-conductivity copper material. This material is appropriate for the inner liner of lowly loaded regeneratively cooled combustion chambers like upper stages. In the experimental setup the HTT panel uses only a small section of the actual combustion chamber geometry, typically five cooling channels. The panel is heated by a high power diode laser providing realistic amounts of heat flux. For safety and cost reasons supercritical nitrogen is used as coolant instead of hydrogen or methane. Within the experiment differ ent combinations of surface temperature, heat flux and mass flow rate were examined, in total 24 different test conditions. Subsequently a coupled steady state thermal fluid-structureinteraction analysis was conducted in ANSYS and validated with the experimental data. ANSYS CFX was used to analyze the nitrogen coolant fluid flow with a Shear Stress Turbulence (SST) model. ANSYS Mechanical was used for the thermal finite element analysis. The relevant thermophysical parameters like heat conductivity, diffusivity and heat capacity were measured for temperatures above 273 K. For lower temperatures these parameters were determined theoretically. The results gained in this study will be used for the accurate modeling of the heat transfer in a thermomechanical fatigue life analysis by adding a dedicated structural Finite Element (FE) Analysis in ANSYS Mechanical. The accurate modeling of thermomechanical fatigue is particularly important for reusability of rocket engines. Furthermore the results of the validated numerical simulation are useful for the estimation of heat transfer in new developments of liquid rocket engines, particularly upper stages.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/191712/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Dependency of Surface Temperature on Coolant Mass Flow and Heat Flux in Rocket Combustion Chambers
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kringe, PascalPascal.Kringe (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2866-8419NICHT SPEZIFIZIERT
Bürger, ChrisDLR Lampoldshausen, Institut für Raumfahrtantriebe, Langer Grund, D - 74239 HardthausenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Riccius, JoergJoerg.Riccius (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5935-874XNICHT SPEZIFIZIERT
Zametaev, EvgenyEvgeny.Zametaev (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0064-1396NICHT SPEZIFIZIERT
Oschwald, MichaelMichael.Oschwald (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9579-9825NICHT SPEZIFIZIERT
Gernoth, AndreasESA ESTEC Noordwijk, The NetherlandsNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Soller, SebastianArianeGroup GmbH Munich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lehmann, MarcusArianeGroup GmbH Munich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reese, StefanieInstitute of Applied Mechanics RWTH Aachen University Aachen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:2022 IEEE Aerospace Conference, AERO 2022
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1109/AERO53065.2022.9843694
ISSN:1095-323X
ISBN:978-166543760-8
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Liquid Rocket Engine; heat transfer experiment and simulation
Veranstaltungstitel:2022 IEEE Aerospace Conference (AERO)
Veranstaltungsort:Big Sky, Montana, USA
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:5 März 2022
Veranstaltungsende:12 März 2022
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Raumtransport
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RP - Raumtransport
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Wiederverwendbare Raumfahrtsysteme und Antriebstechnologie
Standort: Lampoldshausen
Institute & Einrichtungen:Institut für Raumfahrtantriebe > Raketenantriebstechnologie
Institut für Raumfahrtantriebe > Leitungsbereich RA
Hinterlegt von: Hanke, Michaela
Hinterlegt am:05 Dez 2022 15:56
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:52

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