The modeling of fluids at supercritical and transcritical regimes is addressed at conditions
characteristic of liquid propelled rocket engines, whose increasing performance demands
have led to conditions in the combustion chambers to exceed the critical point of both fuels
and oxidizers in the pursuit of higher specific impulses. In the present document, nitrogen is
used as a surrogate for the commonly encountered oxygenhydrogen
mixture so that turbulence
mixing can be looked into without influences from combustion and chemically reacting
effects.
In contrast to the widespread use of compressible formulations in the literature, a distinct
hypothesis is formulated and investigated, focusing on fluids’ incompressible but variabledensity
behavior at supercritical and transcritical conditions. The incompressible but variabledensity
hypothesis arose from the similarity of visualization data, namely measuring
mixing efficiency through jet spreading rates. This document evaluates the capabilities and
limitations of a computational method (Reynoldsaveraged
NavierStokes)
developed based
on the incompressible variabledensity
hypothesis when applied to supercritical and transcritical
conditions.
Based on the socalled
”thermal breakup mechanism concept” proposed in the literature, the
mechanical description of supercritical jets is complemented, demonstrating that the amount
of heat a jet receives inside the injector determines if a change from supercritical liquidtogaslike
condition takes place, highlighting the importance of including the injector flow in
the computations. Axial density and temperature decay rates of supercritical and transcritical
jets are predicted for a wide range of conditions and geometries of increasing complexity,
ranging from single species injection at supercritical and later transcritical conditions into
quiescent environments to coaxial single and multispecies
configurations.
The results suggest that the incompressible but variable density hypothesis can sufficiently
replicate the experimental data, rivaling the predictions of more sophisticated methods relying
on large eddy simulation formulations. Moreover, the need to include the injector into
the computations for an accurate flow description is demonstrated. Furthermore, the errors
resulting from its absence are assessed and evaluated by comparing adiabatic and isothermal
boundary conditions. Finally, the proposed solver has also demonstrated its capabilities in
the temperature field predictions, making it one of the few solvers currently available to have
been validated in terms of density and temperature.A modelação de fluidos em regimes supercríticos e transcríticos é levada a cabo em condições
características daquelas encontradas em motores foguete de propelente líquido, nos quais
a demanda por rendimentos mais elevados, para que sejam atingidos impulsos específicos
superiores, faz com que as condições nas câmaras de combustão excedam o ponto crítico de
combustíveis e oxidantes. No presente documento, azoto é utilizado como um substituto da
mistura oxigéniohidrogénio
para que o comportamento turbulento das misturas possa ser
estudado sem as influências de efeitos de combustão e de reações químicas.
Por contraste com o uso generalizado na literatura de ferramentas computacionais com formulações
compressíveis, aqui uma hipótese distinta é formulada e investigada, focada no
comportamento incompressível mas de massa volúmica variável de fluidos em condições supercríticas
e transcríticas. A hipótese incompressível mas de massa volúmica variável surge
da semelhança de visualização, nomeadamente da medição da eficiência da mistura através
do grau de abertura dos jatos. Este documento tem como objetivo avaliar as capacidades e
limitações de um método computacional (Reynoldsaveraged
NavierStokes)
desenvolvido
com base na hipótese incompressível mas de massa volúmica variável, quando aplicado em
condições transcríticas e supercríticas.
Baseado no conceito de breakup térmico proposto na literatura, a descrição mecânica de
um jato supercrítico é complementada, demonstrando que a quantidade de calor recebida
pelo jato dentro do injetor determina a possibilidade de uma transição de liquidlike
para
uma condição de gaslike
ter lugar. O decaimento axial da massa volúmica e da temperatura
de jatos supercríticos e transcríticos é previsto para um leque de condições e geometrias de
complexidade crescente, desde a injeção de uma espécie química, primeiro em regime supercrítico
e depois transcrítico, num ambiente em repouso, até à injeção coaxial de uma e de
várias espécies.
Os resultados sugerem que a hipótese incompressível mas de massa volúmica variável é capaz
de prever as condições experimentais com um bom grau de precisão, indo de encontro às
previsões de métodos mais complexos baseados em large eddy simulation. Ademais, a necessidade
de incluir o injetor nas simulações para uma descrição mais precisa do escoamento
é demonstrada e os erros associados com a sua ausência avaliados através da comparação entre
condições de fronteira adiabática e isotérmica. O método proposto demonstra também
a sua capacidade em prever o campo de temperatura, sendo que se trata de um dos poucos
métodos atualmente disponíveis validados em termos da massa volúmica e da temperatura
