Modellazione numerica dello scambio termico gas-combustibile in endoreattori ibridi

The aim of this work is to deepen the understanding of hybrid rocket propulsion. Indeed, this technology is characterized by the use of fuel and oxidizer in two different aggregation phases and it is currently considered by the scientific international community for its advantages in terms of safety, operative versatility, costs reduction and low environmental impact. An intense research activity is necessary to allow the establishment of this kind of propulsion penalized by some intrinsic restrictions. These limits have to be understood and contained, paying particular attention to the low achievable values of regression rate, one of the most important performance parameters. The aim of the thesis is the development of a numerical model for the simulation of heat exchange between the solid fuel grain and the gaseous oxidizer. A first implementation has been done with the software Matlab, developing a one-dimensional numerical scheme for solving the physics of the problem. Afterwards the model has been included in OpenFOAM, an open source computational fluid dynamics software, and integrated as boundary condition in a solver for the hybrid rocket motors, developed by the Energy Department of the Politecnico di Milano. The validation of the numerical model has been carried out using experimental results on paraffin-based fuels. This is one of the most promising formulations among the ones investigated in order to improve the low values of regression rate. The model has shown a good agreement with the experimental data, providing satisfactory results.

Il presente lavoro di tesi si inquadra nell'ambito della propulsione spaziale di tipo ibrido. Questa tecnologia, caratterizzata dal fatto che combustibile e ossidante si trovano in fasi di aggregazioni differenti, è attualmente soggetta a un rinnovato interesse da parte della comunità scientifica internazionale, per i vantaggi che è in grado di offrire in termini di sicurezza, versatilità operativa e riduzione di costi e impatto ambientale. Un'intensa attività di ricerca risulta necessaria per poter permettere l'affermazione di questo tipo di propulsione, caratterizzata altresì da limiti intrinseci che devono essere compresi e arginati: primo tra tutti la bassa velocità di regressione del grano solido di combustibile. La simulazione numerica costituisce un potente mezzo utilizzabile per questo tipo di analisi ed è in questo contesto che si inserisce il presente lavoro, il cui obiettivo è lo sviluppo di un modello numerico in grado di simulare lo scambio termico tra grano solido di combustibile e ossidante gassoso. Una prima implementazione del modello è stata fatta tramite il software Matlab, sviluppando uno schema numerico monodimensionale che sia in grado di risolvere la fisica del problema. Successivamente il modello è stato trasposto in ambiente OpenFOAM, piattaforma open-source di fluidodinamica computazionale, al fine di essere integrato come condizione al contorno in un solutore per motori a razzo ibridi, sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. La validazione del modello numerico implementato in entrambi gli ambienti di calcolo è stata fatta servendosi di prove sperimentali su combustibili a base paraffinica, una delle più promettenti formulazioni innovative investigate per migliorare la velocità di regressione. Dal confronto sono emersi risultati apprezzabili, avendo mostrato il modello numerico un buon accordo con i dati sperimentali.