Buchlin, J-M., López Peña, Fernando, Universidade da Coruña. Departamento de Enxeñaría Naval e Oceánica, Lema, Marcos, Buchlin, J-M., López Peña, Fernando, Universidade da Coruña. Departamento de Enxeñaría Naval e Oceánica, and Lema, Marcos
[Abstract] This thesis deals with the experimental and numerical analysis of the water hammer phenomenon generated by the discharge of a pressurized liquid into a pipeline kept under vacuum conditions. This ow configuration induces several multiphase phenomena such as cavitation and gas desorption that cannot be ignored in the water hammer behavior. The motivation of this research work comes from the liquid propulsion systems used in spacecrafts, which can undergo uid hammer effects threatening the system integrity. Fluid hammer can be particularly adverse during the priming phase, which involves the fast opening of an isolation valve to fill the system with liquid propellant. Due to the initial vacuum conditions in the pipeline system, the water hammer taking place during priming may involve multiphase phenomena, such as cavitation and desorption of a non-condensable gas, which may affect the pressure surges produced in the lines. Even though this ow behavior is known, only few studies model the spacecraft hardware configuration, and a proper characterization of the two-phase ow is still missing. The creation of a reliable database and the physical understanding of the water hammer behavior in propulsion systems are mandatory to improve the physical models implemented in the numerical codes used to simulate this ow configuration. For that purpose, an experimental facility modeling a spacecraft propulsion system has been designed, in which the physical phenomena taking place during priming are generated under controlled conditions in the laboratory using inert uids. An extended experimental campaign was performed on the installation, aiming at analyzing the effect of various working parameters on the uid hammer behavior, such as the initial pressure in the line, liquid saturation with the pressurant gas, liquid properties and pipe configuration. The in uence of the desorbed gas during water hammer occurrence is found to have a great importance on the whole process, [Resumen] Esta tesis presenta un estudio experimental y numérico del fenómeno de golpe de ariete generado por la descarga de un líquido presurizado en una conducción bajo condiciones de vacío. Esta configuración de ujo induce varios fenómenos multifásicos, tales como cavitación y desorción de gases no condensables, que no pueden ser ignorados en el análisis del problema. La motivación de este trabajo de investigación tiene su origen en los sistemas de propulsión con combustibles líquidos utilizados en aplicaciones aeroespaciales, donde el fenómeno de golpe de ariete y el incremento de presión ocasionado puede afectar la integridad del sistema. El golpe de ariete es particularmente adverso durante la fase de cebado, donde la apertura rápida de una válvula de aislamiento permite el llenado de las líneas de combustible, las cuales se encuentran inicialmente al vacío. Debido a esto, junto al fenómeno de golpe de ariete también tiene lugar la cavitación del uido y la desorción de un gas no condensable, los cuales afectan a los incrementos de presión que se producen en las líneas. A pesar de que todos estos fenómenos han sido ampliamente tratados en la literatura científica, existen muy pocos estudios que traten la configuración de ujo descrita y que aborden todos los fenómenos multifásicos ocasionados de forma simultánea. Es por ello que la creación de una extensa base de datos, con las condiciones experimentales bien definidas, es una necesidad para validar y mejorar los modelos físicos implementados en los códigos numéricos, los cuales se utilizan para evaluar el comportamiento de los sistemas de propulsión durante la fase de diseño. Para tal fin, se ha diseñado una instalación experimental que reproduce un sistema de propulsión, de forma que todos los fenómenos físicos que tienen lugar durante el cebado del combustible se generan en el laboratorio bajo condiciones controladas. El estudio experimental llevado a cabo ha permitido analizar el efecto de diversos parámetro, [Resumo] Esta tese presenta un estudo experimental e numérico do fenómeno de golpe de ariete xerado pola descarga dun líquido presurizado nunha condución baixo condicións de baleiro. Esta configuración de uxo induce varios fenómenos multif ásicos, tales como cavitación e desorción de gases non condensables, que non poden ser ignorados na análise do problema. A motivación deste traballo de investigación ten a súa orixe nos sistemas de propulsión con combustibles líquidos utilizados en aplicacións aeroespaciais, onde o fenómeno de golpe de ariete e o incremento de presión ocasionado pode afectar a integridade do sistema. O golpe de ariete é particularmente adverso durante a fase de cebado, onde a apertura rápida dunha válvula de illamento permite a enchedura das liñas de combustible, as cales se encontran inicialmente ao baleiro. Debido a isto, xunto ao fenómeno de golpe de ariete tamén ten lugar a cavitación do fluído e a desorción dun gas non condensable, os cales afectan aos incrementos de presión que se producen nas liñas. A pesar de que todos estes fenómenos foron amplamente tratados na literatura científica, existen moi poucos estudos que traten a configuración de uxo descrita e que aborden todos os fenómenos multif ásicos ocasionados de forma simultánea. É por iso que a creación dunha extensa base de datos, coas condicións experimentais ben definidas, é unha necesidade para validar e mellorar os modelos físicos implementar nos códigos numéricos, os cales se utilizan para avaliar o comportamento dos sistemas de propulsión durante a fase de deseño. Para tal fin, deseñouse unha instalación experimental que reproduce un sistema de propulsión, de forma que todos os fenómenos físicos que teñen lugar durante o cebado do combustible se xeran no laboratorio baixo condicións controladas. O estudo experimental levado a cabo permitiu analizar o efecto de diversos parámetros de traballo no comportamento do golpe de ariete, tales como a presión inicial de baleiro na liña, sa