Computational and experimental assessment of the heat transfer in a refrigerated nacelle for the protection of a laser probe subjected to high temperature subsonic Flow

Abstract

[EN] The use of velocimetry techniques in high-temperature supersonic flows presents several difficulties. Traditional methods such as Particle Image Velocimetry (PIV) become unfeasible due to the high velocities experienced, and other intrusive methods are difficult to implement since they rely on the survivability of the optical sensors in these extreme environments. To solve both problems, a nacelle has been designed that, through the use of a cooling jacket, allows for the housing of a femtosecond laser probe for Molecular Tagging Velocimetry (MTV) diagnostics. The conditions for which the probe has been designed consist of a temperature of 1800 K and a velocity of Mach 6. In the context of this project, the objective of this work is to analyze the functioning of the probe's cooled nacelle under less severe conditions. Prior to subjecting the nacelle to design conditions, this work aims to characterize, among other things, the heat transfer, temperature distribution, and cooling effectiveness of the nacelle in subsonic conditions at a temperature of 560 K.

To characterize the heat transfer and temperature distribution in the nacelle, a one-dimensional heat transfer model will be developed using MATLAB software. This model will allow for the determination of the properties that the cooling jacket fluid must have to keep the temperature of the optical sensor below its maximum operating temperature. To do this, the phenomena of conduction, convection, and film cooling in the cover will be modeled. Additionally, the influence of effusion cooling in the cooling performance of the probe will be characterized by means of 3D steady RANS computational simulations in CFD++.

[ES] La utilización de técnicas de velocimetría en flujo supersónico a altas temperaturas presenta varias dificultades. Métodos tradicionales como la velocimetría por imagen de partículas (PIV) se vuelven inviables debido a las altas velocidades, y otros métodos intrusivos son difíciles de implementar ya que dependen de la supervivencia de los sensores ópticos en esos ambientes extremos. Para solucionar ambos problemas, se ha diseñado una cubierta que mediante el uso de una camisa de refrigeración permite albergar una sonda laser de femtosegundos para la toma de medidas de velocimetría por marcado molecular (MTV). Las condiciones para las que la sonda ha sido diseñada consisten en una temperatura de 1800 K y una velocidad de Mach 6. En el marco de este proyecto, el objetivo de este trabajo es analizar el funcionamiento de la cubierta de refrigeración de la sonda en condiciones menos severas. Antes de someter a la cubierta a las condiciones de diseño, este trabajo pretende caracterizar entre otras cosas la transferencia de calor, distribución de temperaturas, y efectividad de enfriamiento de la cubierta en condiciones subsónicas a una temperatura de 560 K.

Para caracterizar la transferencia de calor y temperaturas en la cubierta se realizará un modelo unidimensional de transferencia de calor utilizando el software MATLAB. Este modelo permitirá determinar las propiedades que ha de tener el fluido de la camisa de refrigeración para mantener la temperatura del sensor óptico por debajo de su temperatura máxima de operación. Para ello, se modelarán los fenómenos de conducción, convección, y enfriamiento por película en la cubierta. Adicionalmente, se caracterizará la influencia del enfriamiento por efusión en la capacidad de refrigeración de la sonda mediante la realización de simulaciones computacionales 3D RANS estacionarias en CFD++.