Modelling and characterisation of cryogenic coolants in additively manufactured microfluidic cooling channels

Abstract

In the present Thesis, computational investigations of microfluidic channel flows for various high-relevance engineering applications are performed. Initially, a numerical framework is implemented to overcome the limitations of the pseudo-compressibility method in strongly viscous, microfluidic channel flows, relying on the high-order treatment of the pressure outflow boundary condition. The employment of the suggested approach resultsin percentage errors of approximately 1%. Conversely, low-order treatment yielded percentage deviations from 73% to 85% for the two-dimensional and over 95% for the three-dimensional, microfluidic channel flows. Furthermore, novel analytical formulations for three-dimensional benchmark flows through a rectangular cross-section, microfluidic channel are derived, and a Reynolds number applicability range is determined for each formulation. For conventional channels, the upper limit for the employment of the Poiseuille flow formulation is Re = 300, for the Couette flow Re = 2300 and for the Couette–Poiseuille flow Re = 290. The upper limits in the case of microfluidic channels are 1150, 2300 and 650, respectively. The superposition of these three-dimensional flows is also demonstrated. Attention was then directed to rough, turbulent, microfluidic channel flows for industrial high-heat flux aerospace applications. Particularly, the numerical characterisation of the cryogenic liquid oxygen coolant in the Additively Manufactured (AM) microfluidic cooling channel of the DemoP1 aerospike engine demonstrator is performed, resulting in percentage deviations below 1% against experimental measurements from the demonstrator hot-fire testing campaign. Additionally, temperature-dependent properties for the GRCop-42 alloy, used for the fabrication of the demonstrator are derived and assessed. Finally, a modified Dittus–Boelter correlation for the characterisation of the heat transfer behavior in the asymmetrically heated, microfluidic channel is introduced. This analysis comprises one of the first attempts to provide a comprehensive view of the cryogenic coolant flow in the dual regenerative cooling system of an aerospike engine.

Στην παρούσα Διατριβή πραγματοποιούνται υπολογιστικές διερευνήσεις ροών σε μικρορευστομηχανικά κανάλια για διάφορες εφαρμογές μηχανικής υψηλής σημασίας. Αρχικά, υλοποιείται ένα αριθμητικό πλαίσιο για την υπέρβαση των περιορισμών της μεθόδου ψευδο-συμπιεστότητας σε έντονα ιξώδεις ροές σε μικρορευστομηχανικά κανάλια, βασιζόμενο στην υψηλής τάξης αντιμετώπιση της οριακής συνθήκης πίεσης στην έξοδο της ροής. Η εφαρμογή της προτεινόμενης προσέγγισης οδηγεί σε ποσοστιαία σφάλματα της τάξης του 1%. Αντιθέτως, η χαμηλής τάξης αντιμετώπιση απέδωσε ποσοστιαίες αποκλίσεις από 73% έως 85% για τις δισδιάστατες και άνω του 95% για τις τρισδιάστατες ροές σε μικρορευστομηχανικά κανάλια. Επιπλέον, εξάγονται νέες αναλυτικές λύσεις για τρισδιάστατες πρότυπες ροές (benchmark) μέσα από μικρορευστομηχανικό κανάλι ορθογωνικής διατομής, και προσδιορίζεται ένα εύρος εφαρμοσιμότητας του αριθμού Reynolds για κάθε λύση. Για τα συμβατικά κανάλια, το ανώτατο όριο για την εφαρμογή της αναλυτικής λύσης της ροής Poiseuille είναι Re = 300, για τη ροή Couette Re = 2300 και για τη ροή Couette–Poiseuille Re = 290. Τα ανώτατα όρια στην περίπτωση των μικρορευστομηχανικών καναλιών είναι 1150, 2300 και 650, αντίστοιχα. Παρουσιάζεται επίσης η υπέρθεση αυτών των τρισδιάστατων ροών. Στη συνέχεια, η προσοχή στράφηκε σε τραχείες, τυρβώδεις ροές σε μικρορευστομηχανικά κανάλια για βιομηχανικές αεροδιαστημικές εφαρμογές υψηλής θερμικής ροής. Ειδικότερα, πραγματοποιείται ο αριθμητικός χαρακτηρισμός του κρυογονικού ψυκτικού μέσου υγρού οξυγόνου στο κατασκευασμένο με Προσθετική Κατασκευή (Additively Manufactured, AM) μικρορευστομηχανικό κανάλι ψύξης του επιδεικτικού κινητήρα aerospike DemoP1, οδηγώντας σε ποσοστιαίες αποκλίσεις κάτω του 1% έναντι των πειραματικών μετρήσεων από την εκστρατεία δοκιμών θερμής έναυσης (hot-fire) του κινητήρα. Επιπλέον, εξάγονται και αξιολογούνται οι θερμο-εξαρτώμενες ιδιότητες του κράματος GRCop-42, που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του κινητήρα. Τέλος, εισάγεται μια τροποποιημένη εξίσωση Dittus–Boelter για τον χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς μεταφοράς θερμότητας στο ασύμμετρα θερμαινόμενο μικρορευστομηχανικό κανάλι. Η ανάλυση αυτή αποτελεί μία από τις πρώτες προσπάθειες παροχής μιας ολοκληρωμένης εικόνας της ροής του κρυογονικού ψυκτικού μέσου στο διπλό σύστημα αναγεννητικής ψύξης ενός κινητήρα aerospike.