Computational analysis of rocket propulsion with real-gas effects

La presente tesis se centra en el análisis computacional de los procesos de propulsión de cohetes en los que predominan condiciones supercríticas y transcríticas, donde los efectos de gas real deben ser tenidos en cuenta. El objetivo principal es doble: por un lado, realizar simulaciones unidimensio...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Gutierrez Gonzalez, Aritz
Tipo de recurso: tesis de maestría
Fecha de publicación:2025
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/452471
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/452471
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Rockets (Aeronautics)
Space vehicles -- Propulsion systems
Computational fluid dynamics
Coets (Aeronàutica)
Vehicles espacials -- Sistemes de propulsió
Dinàmica de fluids computacional
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai::Aeronaus::Coets
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai::Sistemes de propulsió
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description La presente tesis se centra en el análisis computacional de los procesos de propulsión de cohetes en los que predominan condiciones supercríticas y transcríticas, donde los efectos de gas real deben ser tenidos en cuenta. El objetivo principal es doble: por un lado, realizar simulaciones unidimensionales de llamas de difusión con modelos termodinámicos de gas real adecuados; por otro, generar datos termoquímicos tabulados apropiados para su uso posterior en aplicaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Para alcanzar estos objetivos, se ha desarrollado una herramienta de software en Python, capaz de resolver llamas de difusión en configuración contraflujo bajo altos gradientes de deformación y condiciones extremas de operación. Se ha adoptado la ecuación de estado de Peng-Robinson como el modelo de gas real más adecuado para la combustión metano-oxígeno. A partir de las soluciones obtenidas, se han derivado manifolds tipo flamelet, incluyendo ramas estables, inestables y la línea de mezcla pura, que han sido posteriormente tabulados para su integración directa en simulaciones CFD mediante un enfoque de Química Tabulada para modelar el flujo reactivo. Finalmente, la metodología ha sido validada aplicando las tablas generadas a una configuración de llama de difusión de contraflujo, resuelta mediante un enfoque CFD. Los resultados muestran que la presión influye significativamente en la estructura de la llama, los límites de extinción, la temperatura máxima y la tasa de liberación de calor. En este sentido, se confirma que la modelización de gas real es esencial para captar con precisión el comportamiento termoquímico del sistema. Además, las simulaciones CFD utilizando química tabulada presentan una buena concordancia con las soluciones unidimensionales de referencia, con solo pequeñas desviaciones. De este modo, se demuestra que el marco metodológico desarrollado constituye una metodología fiable y computacionalmente eficiente.
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Para alcanzar estos objetivos, se ha desarrollado una herramienta de software en Python, capaz de resolver llamas de difusión en configuración contraflujo bajo altos gradientes de deformación y condiciones extremas de operación. Se ha adoptado la ecuación de estado de Peng-Robinson como el modelo de gas real más adecuado para la combustión metano-oxígeno. A partir de las soluciones obtenidas, se han derivado manifolds tipo flamelet, incluyendo ramas estables, inestables y la línea de mezcla pura, que han sido posteriormente tabulados para su integración directa en simulaciones CFD mediante un enfoque de Química Tabulada para modelar el flujo reactivo. Finalmente, la metodología ha sido validada aplicando las tablas generadas a una configuración de llama de difusión de contraflujo, resuelta mediante un enfoque CFD. Los resultados muestran que la presión influye significativamente en la estructura de la llama, los límites de extinción, la temperatura máxima y la tasa de liberación de calor. En este sentido, se confirma que la modelización de gas real es esencial para captar con precisión el comportamiento termoquímico del sistema. Además, las simulaciones CFD utilizando química tabulada presentan una buena concordancia con las soluciones unidimensionales de referencia, con solo pequeñas desviaciones. De este modo, se demuestra que el marco metodológico desarrollado constituye una metodología fiable y computacionalmente eficiente.The present thesis focuses on the computational analysis of rocket propulsion processes in which supercritical and transcritical conditions dominate, where real-gas effects must be considered. The main objective is twofold: on one hand, to perform one-dimensional diffusion flame simulations with appropriate real-gas thermodynamic models, and on the other, to generate tabulated thermo-chemical data suitable for subsequent use in Computational Fluid Dynamics (CFD) applications. To achieve these objectives, a dedicated software tool has been developed in Python, enabling the resolution of counterflow diffusion flames under high strain rates and extreme operating conditions. The Peng-Robinson equation of state has been adopted as the most appropriate real-gas model for methane-oxygen combustion. From the computed solutions, flamelet manifolds have been derived, including stable and unstable branches as well as the pure mixing line, and subsequently tabulated for their direct integration in CFD simulations using a Tabulated Chemistry approach for modelling the reactive flow. Finally, the methodology has been validated by applying the generated tables to a counterflow diffusion flame configuration, which was solved using a CFD approach. The results indicate that pressure strongly affects flame structure, extinction limits, maximum temperature and heat release rate. In this sense, it is confirmed that real-gas modelling is essential to accurately capture the thermo-chemical behaviour of the system. Furthermore, the CFD simulations using tabulated chemistry show a good agreement with the reference one-dimensional solutions, with only minor deviations. In this way, it is demonstrated that the developed framework provides a reliable and computationally efficient methodology. In conclusion, the work proves that tabulated chemistry based on real-gas models constitutes a promising strategy for rocket combustion analysis.Universitat Politècnica de CatalunyaMiró Jané, ArnauGarcía Guillamon, Carlos20252025-10-2220262026-02-03master thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_bdccNAhttp://purl.org/coar/version/c_be7fb7dd8ff6fe43info:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/452471reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/4524712026-05-27T15:37:01Z
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