Methane/oxygen rocket engines have garnered significant interest within the aerospace propulsion domain owing to their favorable attributes, including facile storage and transportability, inherent stability, elevated combustion efficiency, environmentally benign emissions, and recyclability. Throughout engine operation, the management of wall heat dissipation poses a substantial challenge. Employing film cooling stands out as a pivotal technique for wall protection. Concurrently, within the realm of rocket engine research, numerical simulation emerges as an efficient and cost-effective investigative approach. Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulation, acclaimed for its convenience, rapidity, and economical nature, finds widespread application in engineering endeavors. However, Observations from numerical simulations reveal significant disparities between predicted and experimental wall heat flux despite consistent distributions of other combustion chamber parameters. These disparities are attributed to the neglect of chemical reactions within the boundary layer when employing general wall functions. To address this, a coupled wall function accounting for near-wall chemical reactions is integrated into the RANS method to improve wall heat flux prediction accuracy in this thesis. The study initially focuses on establishing and validating the numerical framework, overcoming challenges such as integrating coupled wall functions and processing nonlinear experimental data. The effectiveness of the framework is demonstrated in mitigating overestimated wall heat transfer while maintaining accuracy in flow and combustion calculations. Quantitative analysis highlights the impact of chemical reactions on wall heat transfer, and preliminary investigations into 3D effects reveal influences on temperature boundary layer thickness and flow characteristics. Subsequent optimization of parameters governing the coupled wall function improves prediction accuracy, as demonstrated in a single-injector rectangular combustion chamber. Practical applications of the framework advocate for using Net Heat Flux Reduction (NHFR) as a metric for assessing film cooling efficiency. Further exploration reveals the interplay between enhanced wall heat flux and cooling efficiency, emphasizing the need for tailored film cooling strategies balancing efficiency with engine performance. Investigation into multi-injector combustion chambers elucidates the combined effects of flow dynamics and near-wall chemical reactions, highlighting the importance of tailored film cooling strategies in methane/oxygen rocket engines. Manipulating the velocity ratio between the film and the mainstream through various methods reveals that the disparity in velocities exerts diverse influences on the flow and combustion dynamics. Concurrently, its interaction with chemical reactions within the boundary layer further coupling modulates the wall heat flux. Additionally, distinct approaches to controlling the film velocity yield disparate impacts on the aforementioned parameters. Findings underscore the necessity of optimizing film cooling inlet spacing and mass flow rates to achieve desired cooling efficiency while considering engine performance implications.      «

Methane/oxygen rocket engines have garnered significant interest within the aerospace propulsion domain owing to their favorable attributes, including facile storage and transportability, inherent stability, elevated combustion efficiency, environmentally benign emissions, and recyclability. Throughout engine operation, the management of wall heat dissipation poses a substantial challenge. Employing film cooling stands out as a pivotal technique for wall protection. Concurrently, within the real...     »

Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerke haben aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, wie einfache Lagerung und Transportfähigkeit, inhärente Stabilität, hohe Verbrennungseffizienz, umweltfreundliche Emissionen und Wiederverwertbarkeit, großes Interesse im Bereich der Raumfahrtantriebe geweckt. Während des Triebwerksbetriebs stellt die Beherrschung der Wärmeableitung an den Wänden eine erhebliche Herausforderung dar. Der Einsatz von Filmkühlung erweist sich als entscheidende Technik zum Schutz der Wände. Gleichzeitig gewinnt die numerische Simulation im Bereich der Raketentriebwerksforschung als effiziente und kostengünstige Untersuchungsmethode zunehmend an Bedeutung. Die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (RANS)-Simulationen, die für ihre Bequemlichkeit, Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit bekannt sind, finden in Ingenieurprojekten weit verbreitete Anwendung. Beobachtungen aus numerischen Simulationen zeigen jedoch erhebliche Abweichungen zwischen vorhergesagtem und experimentellem Wärmefluss an den Wänden, trotz übereinstimmender Verteilungen anderer Parameter der Brennkammer. Diese Abweichungen werden auf die Vernachlässigung chemischer Reaktionen innerhalb der Grenzschicht bei der Verwendung allgemeiner Wandfunktionen zurückgeführt. Um dies zu beheben, wird in dieser Arbeit eine gekoppelte Wandfunktion, die chemische Reaktionen in der Nähe der Wand berücksichtigt, in die RANS-Methode integriert, um die Genauigkeit der Vorhersage des Wärmeflusses an den Wänden zu verbessern. Die Studie konzentriert sich zunächst auf die Etablierung und Validierung des numerischen Rahmens, wobei Herausforderungen wie die Integration der gekoppelten Wandfunktionen und die Verarbeitung nichtlinearer experimenteller Daten überwunden werden. Die Wirksamkeit des Rahmens zeigt sich in der Minderung überschätzter Wärmeübertragungen an den Wänden bei gleichzeitiger Beibehaltung der Genauigkeit in den Strömungs- und Verbrennungsberechnungen. Quantitative Analysen heben die Auswirkungen chemischer Reaktionen auf die Wärmeübertragung an den Wänden hervor, und erste Untersuchungen zu 3D-Effekten zeigen Einflüsse auf die Dicke der Temperaturgrenzschicht und die Strömungscharakteristika. Die anschließende Optimierung der Parameter, die die gekoppelte Wandfunktion steuern, verbessert die Vorhersagegenauigkeit, wie in einer rechteckigen Brennkammer mit einem einzelnen Injektor demonstriert wird. Praktische Anwendungen des Rahmens sprechen sich für die Verwendung der Netto-Wärmeflussreduktion (NHFR) als Maß für die Bewertung der Filmkühleffizienz aus. Weitere Untersuchungen zeigen das Zusammenspiel zwischen erhöhtem Wärmefluss an den Wänden und der Kühlungseffizienz, was die Notwendigkeit maßgeschneiderter Filmkühlstrategien betont, die Effizienz und Triebwerksleistung in Einklang bringen. Untersuchungen an Mehrfachinjektor-Brennkammern beleuchten die kombinierten Effekte von Strömungsdynamik und chemischen Reaktionen in Wandnähe und unterstreichen die Bedeutung maßgeschneiderter Filmkühlstrategien bei Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerken. Die Manipulation des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen dem Film und dem Hauptstrom durch verschiedene Methoden zeigt, dass die Geschwindigkeitsdifferenz unterschiedliche Einflüsse auf die Strömungs- und Verbrennungsdynamik ausübt. Gleichzeitig moduliert die Wechselwirkung mit chemischen Reaktionen in der Grenzschicht den Wärmefluss an den Wänden. Darüber hinaus haben unterschiedliche Ansätze zur Kontrolle der Filmgeschwindigkeit unterschiedliche Auswirkungen auf die genannten Parameter. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, den Abstand der Filmkühleinlässe und die Massenstromraten zu optimieren, um die gewünschte Kühlungseffizienz zu erreichen und dabei die Auswirkungen auf die Triebwerksleistung zu berücksichtigen.     «

Methan/Sauerstoff-Raketentriebwerke haben aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, wie einfache Lagerung und Transportfähigkeit, inhärente Stabilität, hohe Verbrennungseffizienz, umweltfreundliche Emissionen und Wiederverwertbarkeit, großes Interesse im Bereich der Raumfahrtantriebe geweckt. Während des Triebwerksbetriebs stellt die Beherrschung der Wärmeableitung an den Wänden eine erhebliche Herausforderung dar. Der Einsatz von Filmkühlung erweist sich als entscheidende Technik zum Schutz der W...     »