alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.19-21.074-087alternative-1121Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYВОЗМОЖНОСТИ CFD ПРОГРАММЫ С ОТКРЫТЫМ КОДОМ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАПРАВКИ СТЕНДОВОГО БАКА ЖИДКИМ ВОДОРОДОМTHE CAPABILITIES OF OPEN SOURCE CFD CODE FOR MODELING THE STAND TANK FILLING PROCESS WITH LIQUID HYDROGENГалеевА. Г.GaleevA. G.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Управление эксплуатацией РКС» Московского авиационного института, лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники, действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, главный научный сотрудник ФКП «НИЦ РКП»

D.Sc. (engineering), Professor of Management of Operation of RSS department of Moscow Aviation Institute, Laureate of USSR Council of Ministers in the field of science and technology, member of the K.E. Tsiolkovsky Russian Academy of Cosmonautics, Chief Researcher of the PCF “SIC RSI”

a.galeev@nic-rkp.ruОрловВ. А.OrlovV. A.

канд. техн. наук, старший научный сотрудник

Ph.D. (engineering), Senior Research Scientist

a.galeev@nic-rkp.ruФКП «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности»РоссияFCP Research and Testing Center of Rocket and Space IndustryRussian Federation201715102017019-217487Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1121

В статье анализировались функционирование и запуск криогенных двигательных установок разгонных блоков и ступеней ракетно-космических систем, которые во многом определяются тепломассообменными процессами в элементах систем питания. Это вызвано тем, что в наземных условиях отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций захолаживания магистралей и запуска двигателя. Поэтому моделирование процессов течения криогенных компонентов с учетом тепломассообменных процессов в системах питания блоков и испытательного стенда является актуальной. Приведены данные о том, что бустерные насосные агрегаты окислителя и горючего, как правило, располагают в соответствующих топливных баках. Это позволяет существенно уменьшить затраты компонента на проведение операций захолаживания и заправки топливных магистралей и бака, а также оптимизировать процесс запуска двигателя при многократных включениях. Отмечено, что при комплексных наземных испытаниях разгонных блоков часто отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций запуска ДУ, поэтому использование физических и математических моделей расчета нестационарных многофазных процессов с интенсивными фазовыми превращениями позволяют определить характеристики и провести прогноз параметров систем питания. В работе выполнены задачи: по разработке открытого кода на основе CFD программы OpenFoam для рассмотрения криогенных течений совместно с процессами теплообмена со стенкой бака; по проверке открытого кода на простейшей двумерной модели бака для определения основных механизмов, возникающих в процессе захолаживания и заправки стендового бака; по реализации использования открытого кода для выполнения начального этапа моделирования процессов заправки стендового топливного бака с учетом испарения крио- генной жидкости и теплообмена со стенками. Показано, что процессы течения и испарения могут быть смоделированы в рамках модели течения со свободной поверхностью. Приведены результаты расчетов основных параметров двухфазных потоков в процессе заправки топливного бака жидким водородом. Результаты исследования предполагается применять в методике оценки параметров двухфазных потоков при испытаниях перспективных блоков ракетно-космических систем.

 

The paper analyzes the functioning and launching of the cryogenic propulsion upper stages and the stages of rocket-space systems, which are largely determined by heat and mass exchange processes in the elements of supply systems. This is due to the fact that in ground conditions, there are no possibilities of flight conditions simulation during cooling of feed lines and starting the engine. Therefore, the simulation of the flow of cryogenic components with respect to heat and mass exchange processes in supply systems of the units and the test stand is important. The paper gives data that booster pump aggregates of oxidant and fuel, as a rule, are located in the corresponding fuel tanks. This makes it possible to significantly reduce the costs of the component for carrying out the operations of cooling and filling fuel lines and the tank, and to optimize the process of starting the engine when it is switched on repeatedly. It is also noted that in complex ground tests of upper stages there are usually no possibilities to simulate flight conditions during launching operations in complex ground tests of upper stages, therefore the use of physical and mathematical models for the calculation of nonstationary multiphase processes with intensive phase transformations makes it possible to determine the characteristics and to forecast the parameters of supply systems. The following tasks have been accomplished: the development of open source code based on CFD program OpenFoam for simulation of cryogenic flows in conjunction with heat exchange processes with the wall of the tank; the verification of open source code on a simple two-dimensional model of the tank for determination the main mechanisms that arise in the process of cooling and filling the stand tank; the implementation of open source code for simulation the initial stage of the refilling of the stand fuel tank taking into account the evaporation of the cryogenic liquid and heat exchange with the walls. The paper shows that the processes of flow and evaporation can be modeled in the framework of models with a free surface flow. The results of calculations of basic parameters of two-phase flows in the process of cooling the liquid hydrogen fuel tank are presented. The results of the study are expected to be used in the methodology for estimating the parameters of two-phase flows during testing of the advanced space rocket systems.

вычислительная гидродинамикадвухфазный потокиспарениеконденсациятеплообменводородбакcomputational fluid dynamicstwo-phase flowsevaporationcondensationheat transferhydrogentankReferencesГалеев, А.Г. Об опыте стендовой отработки двигательных установок верхних ступеней ракет- носителей на водородном топливе / А.Г. Галеев, В.Н. Кучкин, Г.Г. Сайдов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы РКТ», г. Самара, СамНЦ РАН, 2009. – С. 53–54.Galeev A.G., Kuchkin V.N., Saydov G.G. On the experience of bench testing of propulsion systems, upper stages of launch vehicles hydrogen fuel (Ob opyte stendovoi otrabotki dvigatel'nykh ustanovok verkhnikh stupenei raket-nositelei na vodorodnom toplive). Proceedings of the all-Russian Scientific-Technical Conference “Actual problems of RKT”, Samara, Sanz RAS, 2009, p. 53–54 (in Russ.).Галеев, А.Г. К вопросу исследования процессов теплообмена при предстартовом захолаживании расходных магистралей ДУ разгонных блоков РКС [Текст] / А.Г. Галеев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21.– С. 156–166.Galeev A.G., Firsov V.P., Antyukhov I.V., Galeev A.V. For investigating the heat transfer processes in prelaunch cooling of the expenditure highways do boosters RCS (K voprosu issledovaniya protsessov teploobmena pri predstartovom zakholazhivanii raskhodnykh magistralei DU razgonnykh blokov RKS). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;(21):156–166 (in Russ.).Бершадский, В.А. Интенсивность тепло- массообмена в баке системы питания энергоустановки с криогенным компонентом топлива / В.А. Бершадский, А.Г. Галеев, К.П. Денисов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2008. – № 11.– С. 56–63.Bershadskiy V.A., Galeev A.G., Denisov K.P. Intensity of heat-mass transfer in the tank of the power supply system of the power plant with cryogenic component of the fuel (Intensivnost' teplo-massoobmena v bake sistemy pitaniya energoustanovki s kriogennym komponentom topliva). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2008;(11):56–63 (in Russ.).Галеев, А.Г. Испытательные комплексы и экспериментальная отработка жидкостных ракетных двигателей / А.Г. Галеев [и др.]. – М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2012. – 368 с.Galeev A.G., Denisov K.P., Ishchenko V.I., Liseykin V.A., Saydov G.G., Cherkashin A.Yu. Testing complexes and experimental testing of liquid rocket engines (Ispytatel'nye kompleksy i eksperimental'naya otrabotka zhidkostnykh raketnykh dvigatelei). Ed. by N.F. Moiseev. – Moscow: Mechanical Engineering / Mechanical Engineering Flight, 2012 (in Russ.).OpenFOAM® – Official home of The Open Source Computational Fluid… [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://openfoam.com – (Дата обращения: 30.06.17).OpenFOAM® – Official home of The Open Source Computational Fluid… Available on: http://openfoam.com (30.06.17) (in Eng.).Weller, H.G. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques / H.G. Weller [et al.] // Computers in Physics. – 1998. – Vol. 12. – P. 620–631.Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Computers in Physics, 1998;12:620–631 (in Eng.).Nima Sam. EvaPhaseChangeFoamU. A VOF method to phase change modeling [E-resource]. – Режим доступа: http://www.cfd-online.com – (Дата об- ращения: 30.06.17).Nima Sam. EvaPhaseChangeFoamU. A VOF method to phase change modeling. Available on: http://www.cfd-online.com (30.06.17) (in Eng.).Welch, S.W.J. A Volume of Fluid Based Method for Fluid Flows with Phase Change / S.W.J. Welch, J. Wilson // Journal of Computational Physics. – 2000. – Vol. 169. – P. 662–682.Welch S.W.J., Wilson J. A Volume of Fluid Based Method for Fluid Flows with Phase Change. Journal of Computational Physics, 2000;169:662–682 (in Eng.).Welch, S.W.J. Numerical computation of film boiling including conjugate heat transfer / S.W.J. Welch, T. Radichi // Numerical Heat Transfer. – 2002. – Part B. – No 42. – P. 35–53.Welch S.W.J., Radichi T. Numerical computation of film boiling including conjugate heat transfer. Numerical Heat Transfer, 2002; B(42):35–53 (in Eng.).Wiesche S. aus der. Bubble growth and departure during nucleate boiling: The occurrence of heat flux reversal / S. aus der. Wiesche // In Proceedings of the 4th International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, 2005.Wiesche S. aus der. Bubble growth and departure during nucleate boiling: The occurrence of heat flux reversal. In Proceedings of the 4th International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, 2005 (in Eng.).Hardt, S. Evaporation model for interfacial flows based on a continuum-field representation of the source terms / S. Hardt, F. Wondra // Journal of Computational Physics. – 2008. – Vol. 227. – P. 5871–5895.Hardt S., Wondra F. Evaporation model for interfacial flows based on a continuum-field representation of the source terms. Journal of Computational Physics, 2008;227:5871–5895 (in Eng.).Shu, B. Phase change model for two phase fluid flow based on the volume of fluid method ICHMT / B. Shu [et al.] // International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, Marrakech, Morocco, 2008.Shu B., Dammel F. et al. Phase change model for two phase fluid flow based on the volume of fluid method ICHMT. International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, Marrakech, Morocco, 2008 (in Eng.).Shu, B. Numerische Simulation des Blasensiedens mit Volume-Of-Fluid- und Level-SetMethode / B. Shu. – Ph.D. thesis, Technische Universität Darmstadt, 2009.Shu B. Numerische Simulation des Blasensiedens mit Volume-Of-Fluid- und Level-SetMethode. Ph.D. thesis, Technische Universität Darmstadt, 2009 (in Eng.).Kunkelmann, C. Numerical Modeling and Investigation of Boiling Phenomena / C. Kunkelmann. – Genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Darmstadt, 2011.Kunkelmann C. Numerical Modeling and Investigation of Boiling Phenomena. Genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Darmstadt, 2011 (in Eng.).Hirt, C.W. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries / C.W. Hirt, B.D. Nichols // Journal of Computational Physics. – 1981. – Vol. 39. – P. 201–225.Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 1981;39:201–225, (in Eng.).Rusche, H. Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fraction / H. Rusche. – Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 2002.Rusche H. Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fraction. Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 2002 (in Eng.).Brackbill, J.U. A Continuum Method for Modeling Surface Tension / J.U. Brackbill [et al.] // Journal of Computational Physics. – 1992. – Vol. 100. – P. 335–354.Brackbill J.U., Kothe D.B. et al. A Continuum Method for Modeling Surface Tension. Journal of Computational Physics, 1992;100:335–354 (in Eng.).Ubbink, O.Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces / O. Ubbink. – Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 1997.Ubbink O. Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces. Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, 1997 (in Eng.).Schrage, R.W. A theoretical study of interphase mass transfer / R.W. Schrage. – Columbia University Press, New York, 1953.Schrage R.W. A theoretical study of interphase mass transfer. Columbia University Press, New York, 1953.Marek, R. Analysis of the evaporation coefficient and the condensation coefficient of water / R. Marek, J. Straub // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2001. – 44. – P. 39–53.Marek R., Straub J. Analysis of the evaporation coefficient and the condensation coefficient of water. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001;44:39–53, (in Eng.).Son, G. Dynamics and heat transfer associated with a single bubble during nucleate boiling on a horizontal surface / G. Son, V.K. Dhir, N. Ramanujapu // Journal of Heat Transfer. – 1999. – 121. – P. 623–631.Son G., Dhir V.K., Ramanujapu N. Dynamics and heat transfer associated with a single bubble during nucleate boiling on a horizontal surface. Journal of Heat Transfer, 1999;121:623–631 (in Eng.).Kunkelmann, C. CFD simulation of boiling flows using the volume-of-fluid method within OpenFOAM / C. Kunkelmann, P. Stephan // Numerical Heat Transfer. – 2009. – Part A. – No 56. – P. 631–646.Kunkelmann C., Stephan P. / CFD simulation of boiling flows using the volume-of-fluid method within OpenFOAM. Numerical Heat Transfer, 2009;A(56):631–646 (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.