Publication
Contribution to the Physical Understanding of Supercritical Fluid Flows: A Computational Perspective
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Aeronáutica | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Silva, André Resende Rodrigues da | |
| dc.contributor.author | Magalhães, Leandro Barbosa | |
| dc.date.accessioned | 2023-01-18T11:34:53Z | |
| dc.date.available | 2023-01-18T11:34:53Z | |
| dc.date.issued | 2022-12-22 | |
| dc.description.abstract | 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. | pt_PT |
| dc.description.abstract | 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. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 101603525 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/12676 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.relation | alterado para: “Contribution to the Physical Understanding of Supercritical Fluid Flows: a Computational Perspective”. Computational methods for jet/spray characterization: transcritical and supercritical conditions | |
| dc.relation | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| dc.relation | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | pt_PT |
| dc.subject | Injeção em condições supercríticas | pt_PT |
| dc.subject | Motores foguete de propelente líquido | pt_PT |
| dc.subject | Escoamento de massa volúmica variável | pt_PT |
| dc.subject | Injeção coaxial | pt_PT |
| dc.title | Contribution to the Physical Understanding of Supercritical Fluid Flows: A Computational Perspective | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardTitle | alterado para: “Contribution to the Physical Understanding of Supercritical Fluid Flows: a Computational Perspective”. Computational methods for jet/spray characterization: transcritical and supercritical conditions | |
| oaire.awardTitle | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| oaire.awardTitle | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT//SFRH%2FBD%2F136381%2F2018/PT | |
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| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
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| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
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| thesis.degree.name | Doutoramento em Engenharia Aeronáutica | pt_PT |