In combustion chambers of rocket engines, injectors supply the fuel and oxidizer in the liquid phase. Such liquid reactants undergo atomization, vaporization, and combustion processes. To design reliable and efficient injectors in rocket engines, it is required to consider the full processes. This research is part of an effort to develop a full atomization-vaporization-combustion solver. In this research, a multiphase flow solver for atomization is developed. A library of the volume of fluid (VOF) scheme for multiphase, IRL, is coupled with an incompressible, reacting Navier-Stokes equation solver, PeleLM. Surface tension force is introduced in the momentum equation using the continuum surface force model (CSF). In the CSF model, the curvature is used to estimate the surface tension. The curvature is calculated by using the improved height function technique.
Multiple simulations were conducted to verify the VOF implementation. The translation and rotation of Zalesak’s disk simulations were performed to test the code coupling. The three-dimensional deformation of a sphere droplet simulation was conducted to verify the coupled code works well in 3D. The quantitative comparison with shape error in Zalesak’s disk and 3D deformation of sphere droplet test is performed. To verify the surface tension implementation, the stationary circular droplet pressure test and oscillating elliptical droplet test were performed. Due to the surface tension in the momentum equation, the pressure inside the circular droplet increases and the elliptical droplet oscillates with an appropriate period.
In the future, a developed multiphase solver will be used to simulate the circular droplet collision and the atomization of the liquid jet. Thus, a modulated liquid jet with periodic inlet velocity fluctuation simulation will be performed. The result of this liquid jet simulation will be compared with experimental data and previous simulation results to verify the ability to simulate the atomization of the liquid jet.
로켓 엔진 연소기의 인젝터는 액체 연료와 산화제를 공급한다. 그 후 미립화, 기화, 연소 과정이 일어나며 효율적인 인젝터를 설계하기 위해서는 전 과정을 고려해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 미립화 해석을 위한 다상 유동 솔버를 개발하였다. 다상 유동 해석 기법 Volume of Fluid (VOF)의 라이브러리인 IRL을 비압축성, 연소 및 나비에-스토크스 방정식 솔버인 PeleLM에 결합하였다. 또한, 연속체 표면력 (CSF) 모델로 표면장력을 운동량 방정식에 삽입하였다. CSF 모델에 사용되는 곡률은 향상된 높이 함수 기법으로 계산되었다.
VOF 기법을 결합한 코드는 Zalesak 원반의 평행 및 회전 이동 해석으로 검증하였다. 이 코드의 3차원 작동 확인을 위해 구 방울의 3차원 변형을 해석하였다. Zalesak 원반과 구 방울 해석 결과를 모양 오차를 가지고 정량적으로 비교하였다. 운동량 방정식에 삽입된 표면장력은 이로 인해 압력이 증가하는 원형 방울 해석과 진동하는 타원형 방울 해석으로 검증하였다.
추후 개발된 다상 유동 솔버는 원형 물방울 충돌 및 액체 분사 미립화 해석에 사용될 것이다. 액체 유입 속도가 주기적으로 변화하는 미립화 해석 결과를 실험값 및 선행 해석 값과 비교하여 코드가 액체 분사 미립화 해석 능력이 있음을 검증할 것이다.
