Numerical and experimental study of liquid cryogenic jets around a space plane and their consequences on the explosion risk
Étude numérique et expérimentale des jets d’ergols cryogéniques autour d’un avion spatial et leurs conséquences sur le risque d’explosion
Résumé
ArianeGroup is developing new vehicles using innovative propulsion systems. One of them is a Spaceplane equipped with a rocket engine running with cryogenic methane and oxygen. During the atmospheric flight, rocket propellants can be dumped whereas turbojets are functioning. The gaseous cloud and the resulting explosion risk must be assessed. The draining leads to the formation of a cryogenic liquid jet in an air crossflow. The modeling of these jets is complex and requires consequently heavy computing resources. This aspect and the lack of representative experimental data guided us toward an approach without multiphasic flows. A densified gas law has thus been implemented. A wind tunnel experimental bench was developed and tested to validate the numerical model. For security reasons, liquid nitrogen was preferred over liquid methane. The experimental results were compared to the numerical ones with reasonable agreement which confirms hypothesis of our model. The ignition of the gaseous mixtures produced by the in-flight draining was then studied. The LIQUIM (Laser Ignition of QUIescent Mixtures) test bench was used for two different studies. Both were done with initial pressures representative of the flight conditions but the first one used air mixtures with 20 % of dioxygen and the second one with 30 % of dioxygen. The flammability limits and the minimal ignition energies were calculated in both cases. Explosion pressure and high-speed camera measurements were added for oxygen enriched mixtures. Experimental results were compared to simulations from GASEQ and CHEMKIN-PRO software.
ArianeGroup développe un avion spatial utilisant un moteur-fusée à ergols cryogéniques dont le carburant est le méthane et le comburant l’oxygène. Cet avion est amené à vidanger du méthane en vol atmosphérique où les turboréacteurs sont en marche. Il est nécessaire de modéliser le nuage d’ergol vidangé et le risque résultant d’explosion aux abords de l’appareil. Lors de la vidange, un jet liquide cryogénique débouchant perpendiculairement à un écoulement d’air se forme. Ce type de jet est complexe à modéliser et demande des ressources informatiques importantes. Il a donc été décidé de simplifier nos calculs en développant une loi de gaz densifié évitant d’utiliser un écoulement diphasique. Peu de données expérimentales représentatives étant disponibles, la validation de nos résultats numériques a été effectuée à l’aide d’un montage expérimental fabriqué et testé en soufflerie. Ces résultats expérimentaux ont ensuite été comparés aux calculs numériques et fournissent de bons résultats. La problématique de l’allumage des mélanges gazeux créés lors de la vidange a par la suite été étudiée sur le banc LIQUIM (Laser Ignition of QUIescent Mixtures) du laboratoire. Deux études ont été menées pour des pressions initiales représentatives des pressions de vol mais avec des mélanges méthane/air synthétique comprenant soit 20 % d’O2 soit 30 % d’O2. Les limites d’inflammabilité ainsi que les énergies minimales d’inflammation ont été étudiées dans les deux cas. Des mesures de pression d’explosion et des visualisations par caméra rapide ont été mises en place pour l’air enrichi. Les résultats expérimentaux ont été comparés à des calculs numériques effectués avec GASEQ et CHEMKIN-PRO.
Domaines
Autre| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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