[AR] Modeling Liquid Rocket Combustion

  • From: "Khaled Julfiker, Rushd" <rushd@xxxxxxxxxxx>
  • To: "arocket@xxxxxxxxxxxxx" <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 20 Feb 2023 20:33:52 +0000

Hello All,

I am passionate about Liquid Rocket Engines, especially injector hydraulics and 
combustion. I am trying to model LRE combustion.

I know about L* and how to size a combustor based on L*. But now I am trying to 
understand how to size a combustor based on injector pattern, jet/fan/sheet 
breakup length, and droplet evaporation/burning time. I know some linear 
stability analyses (Kelvin-Helmholtz, TAB models, etc.) and empirical relations 
for jet, fan, and sheet breakup lengths. I have also modeled single droplet 
burning (based on the Spalding model), which can tell me how far it travels 
before it is consumed. The injectors I am considering are pintle (LOX-RP1 and 
NTO-MMH), co-axial swirls (LOX-Methane), and like-doublets (LOX-RP1).

Now I am trying to model spray patterns, droplet size distributions at 
different spray locations, droplet interactions, and how they influence the 
burning and evaporation rates. Here I get a little fuzzy. Is Rosin-Ramler 
distribution one way of describing SMD of droplets? Is this the right way to 
go? What other things should I consider for this model? What would be some good 
references for analytical models and CFD?

Later I will also try to simulate combustion in supercritical conditions. My 
understanding is, in Subcritical conditions, evaporation time is the 
rate-controlling process, whereas, for Supercritical conditions (high-pressure 
rocket engines), surface tension becomes negligible. Hence propellants cannot 
form droplets, and diffusion mixing becomes the rate-limiting process. Any 
reference I can use to simulate this would be helpful to me.

Finally, how can I distribute the injector elements for efficient overall 
mixing? Is it based on the Rupe number? Any reference would be appreciated. And 
if my understanding is correct, I must keep the maximum heat release regions 
away from pressure anti-nodes to avoid instabilities?

I know these are a lot of questions. But this forum has expertise in this 
field, and I would appreciate your direction.

Thanks.
Russ

Other related posts: