Numerical simulation of a 3D unsteady two-phase flow in the filling cavity in oxygen of a cryogenic rocket-engine

The feeding of the LOX dome of a cryogenic rocket-engine is a decisive stage of the transient engine ignition. However flight conditions are difficult to reproduce by experimental ground tests. The work reported here is part of an ongoing research effort to develop a robust method for prediction and understanding the LOX dome feeding. In the framework of this project, experiments with substition fluids (air and water) are conducted, without mass and energy transfer. This work presented here intends to reproduce these experiments through incompressible two-phase flow CFD simulations, in an industrial geometry equivalent to the experimental mock-up, made up of a feeding piper, a dome and 122 injectors. More precisely, the aim is to compare the numerical results obtained with NEPTUNE CFD code with the experimental results, through the dome pressure and the mass flow rate of water at the outlet. An important work was made to obtain the same inlet conditions in NEPTUNE CFD code as the experimenters, in order to compare the numerical results with the experimental results for the best. The influence of the interfacial momentum transfer modeling and turbulence modeling are also studied here. The turbulence modeling plays no macroscopic or local role on the mass flow rate of water, on the mass of water in dome and on the dome pressure. The drag model has a major impact on our results as well globally as locally, unlike the turbulence modeling. The Simmer-like model is prefered in comparison to the Large Interface called LIM, because it is in better agreement with experimental data. Moreover, it has to be highlighted that the Simmer-like model is very sensitive to its parameter d, the inclusion diameter

Numerical simulation of dome filling in an experimental rocket engine mockup

Experiments are carried out with substitution fluids (air and water), without heat and mass transfer on a rocket engine mockup. The work presented here intends to reproduce the experimental results using incompressible twophase flow simulations. The geometry used is representative of the experimental mockupcomposed of a feeding pipe, a dome, and a number of injectors. The objective of the paper is to adapt a Eulerian–Eulerian two-fluid model approach to simulate the filling of a dome and to test its ability to reproduce some experimental evidences. The main difficulties to be faced are the fast transients in a complex geometry, including in particular the valve opening sequence, and the drastic evolution of the two-phase flow regime as the flow evolves from gas only to liquid only. An important work has been conducted to obtain the proper inlet conditions to be imposed in the code in coherence with the experiments. The influences of the turbulence modeling and the interfacial momentum transfer modeling are also studied. The former has no macroscopic or local effect on the mass flow rate of water, the mass of water in the dome, and the dome pressure. The drag model, however, has a major impact on the results as much globally as locally. The Simmer-like drag model is preferred in comparison to the Large Interface Model, due to a better agreement with the experimental data. Moreover, it has to be highlighted that the Simmer-like model is very sensitive to the inclusion diameter

Numerical simulation of the 3D unsteady two-phase flows during an experimental water /air mockup filling of a rocket engine LOX dome

Le nouveau moteur cryogénique de l'étage supérieur du nouveau lanceur Ariane présente la particularité d'être plusieurs fois réallumable, une fois la mise en orbite du lanceur. Le réallumage d'un moteur est particulièrement difficile durant les conditions de vol spatial. Ce moteur est composé d'un dôme LOX alimenté en oxygène liquide (LOX) qui est approvisionné par une vanne à boisseau positionnée en entrée d'une canne d'alimentation. Le mélange liquide / gaz formé dans le dôme LOX est injecté dans la chambre de combustion à travers des injecteurs reliant le dôme à la chambre. En conséquence, la distribution de l'écoulement diphasique en sortie des injecteurs revêt une importance particulière en terme d'allumage, de l'ouverture à la fermeture de cette vanne. La prise en compte de ces conditions de vol est primordiale pour qualifier le moteur. Cependant ces conditions ne peuvent pas être reproduites de façon représentative au cours d’essais au sol. Dans le cadre de ces études, un programme de recherche a été mis en place par le CNES (Centre National d'Études Spatiales) et SAFRAN Snecma pour étudier le remplissage du dôme LOX, via des études expérimentales et numériques. L'objectif est de connaître les conditions aux limites en sortie des injecteurs qui sont déterminantes pour appréhender la phase d'allumage dans la chambre de combustion. Des expériences ont été menées au LEGI (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels) avec des fluides de substitution (de l'eau et de l'air), sans transfert de masse et de chaleur, sur la maquette du dôme d’alimentation d'un moteur de fusée. Les travaux présentés, menés à l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), tentent de reproduire les expériences réalisées à l'aide de simulations numériques 3D incompressibles diphasiques. La géométrie du domaine de calcul est représentative de la maquette expérimentale, qui est composée d'une canne d'alimentation, d'un dôme, d'un allumeur et d'un grand nombre d'injecteurs. Le but de cette étude est de démontrer la faisabilité d'un calcul 3D instationnaire diphasique du remplissage du dôme oxygène du moteur-fusée avec le code industriel NEPTUNE_CFD, en prenant en compte la géométrie réelle et les phénomènes physiques prépondérants. La comparaison des prédictions avec les résultats expérimentaux est réalisée afin d'évaluer la capacité du code à prédire l'écoulement à l'aide des modèles de fermeture disponibles. Enfin, plusieurs études de sensibilité sur les modèles de fermeture sont menées pour estimer leur influence sur les résultats des simulations. Un travail important a été effectué pour imposer les mêmes conditions d'entrée que dans les expériences. Des études ont également été conduites sur un injecteur isolé.New generation cryogenic upper-stage rocket engines are planned to be restartable during the orbit mission. The re-ignition of the engine is particularly difficult in space flight conditions. The engine contains a LOX dome fed with liquid oxygen (LOX) supplied by a bushel valve through a pipe. The gas / liquid mixture forming in the dome is injected into the combustion chamber through a number of injectors. Therefore the two-phase flow distribution at injectors outlet carries a real importance in terms of the ignition from the opening to the closing phases of the main valve. These flight conditions are of paramount importance, however, they are truly difficult to reproduce by experimental ground tests. In the framework of these studies, a research program set up by CNES (the French Space Agency) and SAFRAN Snecma, tries to study the LOX dome filling, through experiments and numerical studies. The aim is to identify the phenomena at sake to know the limit conditions at injectors, which will determine the ignition stage in the combustion chamber. Experiments are carried out at LEGI (Geophysical and Industrial Flows Laboratory in Grenoble) with substitution fluids (air and water), without heat and mass transfer on a rocket engine mockup. The work presented here, conducted at IMFT (Fluid Mechanics Institute in Toulouse), intends to reproduce the experimental results using incompressible two-phase flow simulations. The geometry used is representative of the experimental mockup composed of a feeding pipe, a dome, an igniter pipe and injectors. The aim of this study is to demonstrate the feasibility of a 3D unsteady two-phase flow calculation with the industrial code NEPTUNE_CFD, to simulate the LOX dome filling of the rocket engine, by taking into account the real geometry and the preponderant physical phenomena. The comparison of the predictions with the experimental results is carried out in order to estimate the code capability to predict the flow behavior, according to available closure laws. Finally, several sensitivity studies on the closure laws have been conducted to assess their influence on the numerical results. An important work has been carried out to obtain the proper inlet conditions to be imposed in the code in coherence with the experiments. Studies have equally been conducted on an isolated injector

Simulation numérique des écoulements diphasiques 3D instationnaires au cours du remplissage d'une maquette expérimentale eau/air du dôme LOX d'un moteur-fusée

New generation cryogenic upper-stage rocket engines are planned to be restartable during the orbit mission. The re-ignition of the engine is particularly difficult in space flight conditions. The engine contains a LOX dome fed with liquid oxygen (LOX) supplied by a bushel valve through a pipe. The gas / liquid mixture forming in the dome is injected into the combustion chamber through a number of injectors. Therefore the two-phase flow distribution at injectors outlet carries a real importance in terms of the ignition from the opening to the closing phases of the main valve. These flight conditions are of paramount importance, however, they are truly difficult to reproduce by experimental ground tests. In the framework of these studies, a research program set up by CNES (the French Space Agency) and SAFRAN Snecma, tries to study the LOX dome filling, through experiments and numerical studies. The aim is to identify the phenomena at sake to know the limit conditions at injectors, which will determine the ignition stage in the combustion chamber. Experiments are carried out at LEGI (Geophysical and Industrial Flows Laboratory in Grenoble) with substitution fluids (air and water), without heat and mass transfer on a rocket engine mockup. The work presented here, conducted at IMFT (Fluid Mechanics Institute in Toulouse), intends to reproduce the experimental results using incompressible two-phase flow simulations. The geometry used is representative of the experimental mockup composed of a feeding pipe, a dome, an igniter pipe and injectors. The aim of this study is to demonstrate the feasibility of a 3D unsteady two-phase flow calculation with the industrial code NEPTUNE_CFD, to simulate the LOX dome filling of the rocket engine, by taking into account the real geometry and the preponderant physical phenomena. The comparison of the predictions with the experimental results is carried out in order to estimate the code capability to predict the flow behavior, according to available closure laws. Finally, several sensitivity studies on the closure laws have been conducted to assess their influence on the numerical results. An important work has been carried out to obtain the proper inlet conditions to be imposed in the code in coherence with the experiments. Studies have equally been conducted on an isolated injector.Le nouveau moteur cryogénique de l'étage supérieur du nouveau lanceur Ariane présente la particularité d'être plusieurs fois réallumable, une fois la mise en orbite du lanceur. Le réallumage d'un moteur est particulièrement difficile durant les conditions de vol spatial. Ce moteur est composé d'un dôme LOX alimenté en oxygène liquide (LOX) qui est approvisionné par une vanne à boisseau positionnée en entrée d'une canne d'alimentation. Le mélange liquide / gaz formé dans le dôme LOX est injecté dans la chambre de combustion à travers des injecteurs reliant le dôme à la chambre. En conséquence, la distribution de l'écoulement diphasique en sortie des injecteurs revêt une importance particulière en terme d'allumage, de l'ouverture à la fermeture de cette vanne. La prise en compte de ces conditions de vol est primordiale pour qualifier le moteur. Cependant ces conditions ne peuvent pas être reproduites de façon représentative au cours d’essais au sol. Dans le cadre de ces études, un programme de recherche a été mis en place par le CNES (Centre National d'Études Spatiales) et SAFRAN Snecma pour étudier le remplissage du dôme LOX, via des études expérimentales et numériques. L'objectif est de connaître les conditions aux limites en sortie des injecteurs qui sont déterminantes pour appréhender la phase d'allumage dans la chambre de combustion. Des expériences ont été menées au LEGI (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels) avec des fluides de substitution (de l'eau et de l'air), sans transfert de masse et de chaleur, sur la maquette du dôme d’alimentation d'un moteur de fusée. Les travaux présentés, menés à l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), tentent de reproduire les expériences réalisées à l'aide de simulations numériques 3D incompressibles diphasiques. La géométrie du domaine de calcul est représentative de la maquette expérimentale, qui est composée d'une canne d'alimentation, d'un dôme, d'un allumeur et d'un grand nombre d'injecteurs. Le but de cette étude est de démontrer la faisabilité d'un calcul 3D instationnaire diphasique du remplissage du dôme oxygène du moteur-fusée avec le code industriel NEPTUNE_CFD, en prenant en compte la géométrie réelle et les phénomènes physiques prépondérants. La comparaison des prédictions avec les résultats expérimentaux est réalisée afin d'évaluer la capacité du code à prédire l'écoulement à l'aide des modèles de fermeture disponibles. Enfin, plusieurs études de sensibilité sur les modèles de fermeture sont menées pour estimer leur influence sur les résultats des simulations. Un travail important a été effectué pour imposer les mêmes conditions d'entrée que dans les expériences. Des études ont également été conduites sur un injecteur isolé

Simulation numérique des écoulements diphasiques 3D instationnaires au cours du remplissage d'une maquette expérimentale eau / air du dôme LOX d'un moteur-fusée

Thèse confidentielleConfidential thesisTOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Advanced benchmark of the flow through a mixing vane grid - Large Eddy Simulation validation

International audienceIdentifying what causes fuel assembly vibrations downstream of Mixing Vane Grids (MVG) in Pressurized Water reactor (PWR) is of paramount importance for nuclear community to understand grid-to-rod fretting wear. Experiments, called CALIFS, were carried out by the Atomic Energy Commission (CEA) on a 5x5 MVG at a hydraulic Reynolds number of 66,000, in order to measure the flow velocity and the pressure along the central rod. In parallel, a benchmark for Large Eddy Simulation (LES) was setup to compare the predictions of three different CFD codes: Star-CCM+, Code_Saturne and TrioCFD to experimental measurements. The computational domain is representative of a span of CALIFS mockup, composed of a 5x5 rod bundle with a MVG. The three computations overall give very satisfactory results, independently from the mesh created and the modelling options selected. It seems to suggest that whatever the software used, this kind of calculations has reached a significant level of robustness and accuracy. Nonetheless, some discrepancies remain concerning the predictions of pressure standard deviation decay far downstream of the mixing vane grid