Cryogenic hydrogen tank thermal interactions and effects on thermal stratification

Abstract

Dünya genelinde enerji talebinin sürekli olarak artması, hem küresel çevresel dengelerin korunması hem de uzay mühendisligi uygulamalarının sürdürülebilir bir biçimde ilerlemesi açısından kritik bir dönemeç oluşturmaktadır. Bu baglamda, yüksek enerji yogunluklarına sahip olan kriyojenik akışkanlar, temiz yakıt potansiyelleri nedeniyle hem kara temelli depolama sistemlerinde hem de roket yakıtı olarak geniş ölçekli araştırmaların odagı haline gelmiştir. Sıvı hidrojen, sıvı oksijen ve sıvı metan gibi düşük sıcaklıkta saklanan buharlaşabilir maddeler, ortam sıcaklıgına kıyasla aşırı derecede düşük termodinamik degerlere sahip olduklarından, tank içlerinde karmaşık ısı transferi ve kütle transferi süreçleriyle karşı karşıya kalırlar. Bu süreçlerin anlaşılması ve kontrol altına alınması, yakıt kayıplarını minimize etmek, sistem güvenligini artırmak ve tasarım optimizasyonunu saglamak açısından hayati öneme sahiptir. Kriyojenik tanklarda birikmiş ısı akılarının etkisiyle ortaya çıkan termal katmanlaşma, sıvı fazla üzerindeki yastık (ullage) gaz tabakası arasında zıt yönde gelişen ısı sınır tabakalarının oluşumuna yol açar. Bu olay, sıcaklık gradyanlarının hem yatay hem de düşey yönde karmaşık bir dagılıma sahip olmasına neden olurken, aynı zamanda tank içindeki sıvı seviyesinin üzerinde kalan gaz kesiminde de farklılaşan termal yogunluk profilleri meydana getirir. Zamanla sisteme giren ek ısı, sıvının doyma sıcaklıgına ulaşmasını hızlandırarak tank içinde yogun bir kaynama (boil-off) oluşturur. Kaynama olgusunun etkinlikle yönetilememesi, hem basınç artışına hem de kütlesel kayıplara sebep olarak depolama ve itki sistemlerinin performansını önemli ölçüde düşürür. Özellikle pompaya besleme yapılan hatlarda, sıvı içindeki buhar basıncının belirli bir sınırın altında tutulması gerekir; bu sınırın aşılması, kavitasyon gibi pompa arızalarına yol açarak sistem güvenilirligini tehlikeye atar. Tank duvarı ile sıvı arasındaki konveksiyonel ve iletim yoluyla gerçekleşen ısı transferi; sıvı ile yastık bölgesi arasındaki hem ısı hem kütle aktarımları; yastık ile basınçlandırma gazı arasındaki termal ve kütlesel degişimler, kriyojenik sistemlerin iç içe geçmiş üçlü bir etkileşim agı oluşturur. Bu etkileşimler birbirini besleyen ya da zayıflatanğeribildirim döngüleri yaratır; örnegin, ısı transferi sonucunda hızlanan kaynama, gaz fazındaki termal difüzyonu etkileyerek sıvı fazın daha hızlı ısınmasına zemin hazırlar. Dolayısıyla bu süreçlerin tümünün bir arada ele alındıgı entegre modeller, sistem davranışını güvenilir biçimde tahmin etmek için olmazsa olmazdır. Bu çalışma kapsamında geliştirilen bir boyutlu analitik model, ticari dinamik simülasyon paketlerinin aksine, hesaplama süresini saniye seviyelerine indirgemeyi başarmıştır. MATLAB ortamında kodlanan bu modelde sıvı fazı çoklu dügüm (node) sayısına bölünerek kütle, momentum ve enerji korunumu denklemleri bazında hesaplanır. Yastık bölgesi ise tek bir dügüm olarak temsil edilmiş, bu sayede hesaplama karmaşıklıgı azaltılırken elde edilen sonuçların doğruluğu da deneysel karşılaştırmalarla onaylanmıştır. Gaz–sıvı karışımının termofiziksel özellikleri, fazlar arası kütle oranları dikkate alınarak agırlıklı ortalama yöntemiyle belirlenmiş ve akışkanlar ideal gaz kabulü altında modellenmiştir. Kaynama fenomeni için çoklu faz denklemleri ile ampirik geçiş korelasyonları bir araya getirilmiş, bu sayede stabilize ve kararsız kaynama rejimleri için geniş kapsamlı bir tanımlama algoritması oluşturulmuştur. Modelin geçerliligi, hem deneysel hem de nümerik kaynaklardan derlenen verilerle kapsamlı şekilde sınanmıştır. Tank içi yastık sıcaklıgı, basınç değişimi ve sıvı sıcaklığı profilleri, model çıktılarıyla kıyaslandıgında birkaç kelvin mertebesindeki sapmaların ötesine geçmemiştir. Ki bu farklarda yüzdesel olarak 10 mertebelerinin de altında oldugu gözlemlenmektedir. Bu değer, tezin amacı olan özellikle kavramsal ve ön tasarım aşamaları için oldukça yeterli bir hata payı olarak görülmüştür. Ayrıca küçük ölçekli sayısal akışkanlar dinamigi (CFD) analizleri de modelin termal katmanlaşma kalınlıgı ve basınç gelişimi tahminlerinde yüksek tutarlılık sunduğunu göstermiştir. Bu karşılaştırmalar, analitik yaklaşımın hız ve basitlik avantajını korurken güvenilir sonuçlar verdigini ortaya koymuştur. Model, farklı tasarım ve çalışma koşullarının etkilerini inceleme olanagı da sunmaktadır. Basınçlandırma gazı sıcaklıgının yükseltilmesi, artan termal enerjinin neden olduğu hacim gereksinimi degişimlerini ortaya koyarken, basınçlandırma gazı basıncındaki artış, kütlesel akış hızını ve dolayısıyla tank hacmi ihtiyacını dogrudan etkilemektedir. Farklı gaz türlerinin termodinamik davranışları, model kullanılarak karşılaştırıldıgında tank tasarımına özel olarak helyum, azot veya hidrojen gibi seçicilik yapılmasına olanak tanımaktadır. Tank geometrisinin en-boy oranı, yalıtım katmanının kalınlıgı gibi boyutsal parametreler ise hem termal katmanlaşma profillerini hem de boil-off hızını belirleyici niteliktedir. Roket fırlatmaları sırasında maruz kalınan ivme yükleri, mikrogravite benzeri koşullar altında sıvı–yastık ara yüzeyinin kararlılıgını ve katmanlaşma yogunluğunu etkileyerek kritik tasarım sınırları ortaya koyar. Ayrıca difüzör tasarımlarının çökme faktörleri ve çeşitli kaynama rejimi korelasyonlarının entegrasyonu, akış performansı analizlerini detaylandırmaktadır. Tüm bu parametreler, model aracılıgıyla hızlı ve güvenilir biçimde test edilmekte, tasarımcıya kapsamlı bir ön tasarım rehberi sunmaktadır. Gelecege dönük olarak, modelin gerçek akışkan termofiziksel veritabanlarıyla beslenerek ideal akışkan varsayımının ötesine taşınması, sistematik hata paylarını önemli ölçüde azaltacaktır. Silindirik taşımacılıgın yanı sıra küresel tank geometrileri de modele entegre edildiginde, hem uzay hem de kara temelli depolama uygulamalarındağeniş kapsamlı kullanım alanları elde edilecektir. Mikrogravite şartları altında uzun süreli görevler için katmanlaşma ve boil-off süreçlerinin dinamik simülasyonları, derin uzay görevlerinin güvenilirligini arttırmaya yönelik kritik veriler sunacaktır. Aktif karıştırma veya titreşim bazlı anti-katmanlaşma sistemlerinin analitik ön tasarım modellerine dahil edilmesi, özellikle hassas yalıtım gerektiren uygulamalarda stratejik avantaj saglayacaktır. Son olarak, çalkantı (slosh) koşullarının ısı transferi ve kütle aktarımına etkisinin modellenmesi, yörünge araçlarının kontrol sistemleriyle doğrudan ilişkilidir ve bu alanda atılacak adımlar, simülasyon temelli tasarım yöntemlerinin kapsamını genişletecektir. Sonuç olarak, geliştirilen bir boyutlu analitik model, hem deneysel hem de sayısal verilerle tutarlı sonuçlar vererek kriyojenik akışkan yönetimi için hızlı ve pratik bir çözüm sunmaktadır. Bu yaklaşım, mühendislik ön tasarım süreçlerinde zaman kazancı saglarken tasarım kararlarının doğruluk düzeyini de yükseltmektedir. Modelin gelişmiş parametre esnekligi, uygulama alanlarını genişletmekte ve gelecekteki uzay görevleri ile kara temelli kriyojenik depolama sistemlerinin güvenlik ve verimlilik gereksinimlerini karşılamaya yönelik saglam bir temel oluşturmaktadır.The growing worldwide demand for energy combines significantly both environmental issues and space applications. In this context, cryogenic fluids, particularly liquid hydrogen (H2), have garnered significant attention from the space industry as a promising clean energy source. However, managing cryogenic fluids like liquid hydrogen presents considerable challenges due to the phenomenon known as thermal stratification. Thermal stratification is a complex process where temperature gradients develop within the cryogenic liquid, influenced by various external and internal heat sources. External sources include aeroheating during launch and flight, space radiation exposure in orbital conditions, and atmospheric convection during pre-launch operations. Internal sources such as pressurization also play a crucial role, contributing to heat transfer even when the storage tank is insulated to minimize temperature variations. These factors make it essential to develop reliable models capable of predicting the dynamic thermal behavior of cryogenic fluids in storage tanks, particularly under conditions encountered during flight, pre-launch, and extended storage phases. In this thesis, a mathematical low-dimensional model is developed to study the thermal interactions and their impact on thermal stratification in cryogenic hydrogen storage tanks. The model aims to provide a computationally efficient tool that simulates the thermal behavior within the tank and predicts parameters critical for space vehicle design. The focus is placed on rectangular tanks due to their prevalent use in space applications, including launch vehicles, orbital maneuvering vehicles (OMVs), and satellites. The model's ability to generate key outputs such as ullage pressure, ullage temperature, liquid phase temperature, wall temperature, and the necessary pressurant gas flow rate is explored. These outputs are vital for understanding the performance and safety margins of space vehicles during different mission phases and are especially valuable in the early stages of design where quick yet reliable predictions are essential for decision-making. The model's approach incorporates external heat fluxes and internal pressurization effects to provide a comprehensive assessment of thermal interactions. Simulations take into account scenarios such as pre-launch heat exposure, steady-state storage conditions, and transient thermal behavior during flight. The inclusion of wall and ullage temperature dynamics ensures that the model captures the complex interplay between the stored cryogenic liquid and its environment. Such modeling enables engineers to predict potential temperature gradients that could affect tank pressurization, the integrity of structural materials, and the performance of propulsion systems. Results from the developed model demonstrate that, with appropriate calibration, it can closely replicate experimental data from existing literature. This capability indicates that the model's accuracy is sufficient for preliminary design analyses, providing a practical tool for estimating pressurization requirements and liquid hydrogen temperature distributions. The reduced computational demands of the model make it highly suitable for iterative design processes, where rapid feedback on different configurations and thermal management strategies is needed. Ultimately, this model can serve as an insightful resource in guiding the design of cryogenic tanks used in space vehicles, contributing to better management of liquid hydrogen and more efficient mission planning. By enhancing the understanding of thermal stratification and pressurization dynamics, the model supports the development of more reliable and efficient aerospace systems that leverage hydrogen as a primary energy source.