Development and validation of an inverse method for heat transfer estimation in LRE cooling channels

I motori a razzo a propellente liquido (LRE) sono ampiamente utilizzati nella propulsione spaziale grazie alla loro versatilità che consente frequenti manovre di variazione della spinta. Le prestazioni di questi motori dipendono dal sistema di raffreddamento, che generalmente consiste in piccoli canali realizzati sull'ugello. Presso l'Istituto von Karman per la fluidodinamica (VKI) si svolgerà una campagna sperimentale per studiare il trasferimento di calore in piccoli canali di raffreddamento. Gli esperimenti, il fluido usato e il range, sono progettati in modo simile al flusso dell'applicazione target e l'obiettivo finale è quello di studiare l'effetto dell'aumento di rugosità derivata dalla fabbricazione laser additiva sull'insorgenza dell'ebollizione. L'impianto TROPIC è un'installazione a circuito chiuso in grado di variare indipendentemente pressione, temperatura e portata massica dell'etanolo per soddisfare le condizioni richieste dalla similitudine di flusso. La sezione di prova è costituita da tre lati trasparenti (quarzo) e da una parete metallica riscaldata. Il flusso di calore, costante e uniforme, è fornito dall'effetto Joule. Pertanto, la misurazione della temperatura della superficie bagnata viene eseguita con termocoppie schermate poste sul retro della parete riscaldata elettrificata. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è sviluppare un metodo inverso per ottenere il coefficiente di trasferimento del calore e la temperatura della superficie umida dalla misura transitoria della temperatura della parete posteriore. In primo luogo, viene derivata analiticamente la soluzione dell'equazione del calore 1D transitoria con opportune condizioni al contorno che rappresentano il caso sperimentale. Quindi, viene implementata una routine di ottimizzazione per identificare le condizioni al contorno miste sulla parete umida nel flusso monofase e all'inizio dell'ebollizione. Il metodo viene convalidato rispetto alle simulazioni FEM del caso di trasferimento di calore monofase e rispetto a un esperimento su piccola scala con un getto d'aria e condizioni al contorno note. Infine, il metodo viene implementato sul caso sperimentale di ebollizione.