Indagine sperimentale di fenomeni di entrainment in combustibili basso-fondenti per la propulsione spaziale di tipo ibrido

The entrainment is a physical phenomenon that concerns the transport of bubbles, droplets and, in general, particles that are spread in a fluid stream. Studies on the entrainment are very important for hybrid rocket motors that use liquefying fuel. These materials form a thin liquid layer. If the liquid film is stressed by aerodynamic forces it becomes unstable and the liquid-gas interface changes shape, forming waves. When the forces acting on the interface are large enough some waves detach from the liquid phase. The liquid structures, which are now in the gas phase, brake up in many droplets. The physical properties of the fuel spray define the heat and mass transfer that occurs in the hybrid motors during the combustion process. The meaning of “physical properties” is basically the detach rate of the droplets, their size and their speed. This thesis describes the procedure to measure the diameters of the droplets. The entrainment is reproduced, in frozen conditions, in experimental apparatus which allow the recording of the process thanks to a fast-digital-camera. Pure wax, wax added with 5% of Sebs and wax with 15% of Sebs are the liquid film investigated. Oxygen is the gas used. In the last part of this thesis the results obtained by the frame analysis are reported.

L’entrainment, in fluidodinamica, è il fenomeno fisico che riguarda il trascinamento di gocce, bolle ed in generale di particelle, disperse in una corrente fluida. Lo studio dell’entrainment ricopre ampio interesse nel campo degli endoreattori ibridi che utilizzano combustibili basso-fondenti. Questi materiali sono in grado di formare un film liquido il quale viene trascinato e perturbato a causa degli sforzi trasmessi dal moto del flusso gassoso ossidante attraverso l’interfaccia liquido-gas. Se le forze sono sufficientemente elevate vengono indotte instabilità nella fase liquida con conseguente distacco e cattura di una frazione di massa liquida da parte della fase gassosa. Le strutture trasportate dal gas a loro volta si disgregano in un insieme di gocce. Le caratteristiche dello spray combustibile, generato in questo modo, regolano i processi di scambio termico e di trasporto di massa che si verificano durante i fenomeni di combustione nei motori ibridi; con i termini “caratteristiche dello spray” si intende il numero di gocce distaccate nell’unità di tempo il loro diametro e la loro velocità. Questa tesi descrive il procedimento per la rilevazione dei diametri delle gocce. In particolare è stato riprodotto il fenomeno dell’entrainment a freddo in impianti sperimentali opportunamente costruiti per permettere la video-ripresa del fenomeno con l'aiuto di una camera digitale ad alta velocità. I materiali usati per la generazione del film liquido sono stati paraffina pura, paraffina additivata con il 5% di Sebs e paraffina legata con il 15% di Sebs. Come flusso gassoso è stato utilizzato ossigeno. La tesi riporta i risultati ottenuti dall’analisi dei fotogrammi ed inquadra i processi di entrainment nel contesto della propulsione spaziale di tipo ibrido.