Studie van Cryogene Transiënte Stromingen. De impact van de thermosensitiviteit van een fluïdum op cavitatie

Tweefasige stromingen komen voor tijdens handelingen met ruimtevaartuigen ten gevolge van lage druk of vacuümcondities in het aandrijfsysteem. Net voor de start van de lancering van het ruimtevaartuig zit de motorbrandstof opgesloten in tanks die worden afgesloten door een reeks kleppen. Wanneer het ruimtevaartuig loskomt van het lanceerplatform worden de brandstoflijnen gevuld en onder druk gebracht, de zogenaamde priming fase. Een gasbellen bevattende stroming wordt geproduceerd door de combinatie van verschillende verschijnselen zoals: koken, vanwege de afkoeling van de brandstoflijnen, cavitatie, veroorzaakt door de stroming van een vloeistof door een klep, en fluid hammer. Elk van deze processen vindt plaats in een thermodynamisch zeer onevenwichtige omgeving. Het gevolg is dat gevalideerde theoretische modellen, die deze processen beschrijven, nog niet beschikbaar zijn. Verdere moeilijkheden ontstaan vanuit experimenteel oogpunt omwille van de cryogene aard van de brandstoffen en de complexiteit van een meerfasig proces, die sterk de mogelijke te gebruiken technieken beperken.

Het doel van dit proefschrift is de karakterisering van twee deelprocessen die plaatsvinden tijdens de priming fase: cavitatie en fluid hammer. Hiervoor zal een opstelling met een diafragma worden gebruikt, die vaak voorkomen in raketvoortstuwingssystemen. Bovendien kan er met deze opstelling eenvoudig cavitatie worden ervaren vanwege de hoge snelheid die ter hoogte van de vena contracta wordt bereikt. Aangezien cryogene vloeistoffen temperatuurgevoelig zijn, zal hun gedrag tijdens cavitatie totaal verschillend zijn van deze van een niet-cryogene vloeistof. Daardoor lijkt vloeibare stikstof (LN2) de beste keuze en zal als werkvloeistof in de experimentele opstelling worden gebruikt. Bovendien laten zijn eigenschappen minder strenge eisen toe, qua temperatuur, in vergelijking met andere cryogene vloeistoffen. Ook is het een eenvoudig handelbare en relatieve goedkope cryogene vloeistof.

Bepaling van de technische vereisten van de experimentele setup en de testcondities voor LN2 zijn de eerste taken van het project. Verder wordt de selectie van de juiste meettechnieken ook gevraagd. Het experimentele onderzoek zal worden uitgevoerd met behulp van druk-, temperatuur- en debietsensoren en bijzondere aandacht zal worden besteed aan optische visualisaties. Het doel van de experimenten is het bekomen van kwantitatieve informatie over de  thermodynamische eigenschappen, stromingstopologie en vulfactor tijdens cavitatie en fluid hammer. De drukgolven veroorzaakt door de fluid hammer zullen worden geanalyseerd, net als de temperatuurvariaties.

Experimenten met water, met een isothermische testbank, werden reeds uitgevoerd om verschillende diafragma’s te karakteriseren. Het doel was om parameters te bepalen die een hydraulische gelijkenis tussen testen met water en met vloeibare stikstof mogelijk maken. De nieuwe cryogene testopstelling zal zo worden ontworpen dat deze gelijkenis wordt gegarandeerd.

Ten slotte zullen de resultaten van de cryogene experimentele campagne gebruikt worden om een database op te maken. Deze zal helpen om ontwikkelde numerieke codes te valideren, gebruikt voor het ontwerp van kleppen en leidingen tegen beschadigingen ten gevolgen van cavitatie en fluid hammer.