Extension of the alpha-beta-gamma flame model to metalized solid propellants : implementation and sensitivity analysis

This work focuses on the development of a simple, one-dimensional model able to describe the steady state combustion of AP (Ammonium Perchlorate)-based aluminized solid propellants. Particular emphasis was put on the application for propellants containing microaluminum (μAl), nanoaluminum (nAl), or both. The αβγ model for the heat release profile in the gaseous phase was analyzed, and it was chosen as the best candidate to approximate the actual heat release profile in AP-based propellants. The result led to the numerical and visual estimation of the temperature profile along the combustion wave. A linear approach was then proposed, for both the Arrhenius law and the heat release in flame, in order to estimate the ballistic properties of propellants containing a bimodal distribution of aluminum, starting from the corresponding propellants loaded with monomodal distributions. Moreover, an exponential law was suggested for the surface heat release qs as a function of pressure. The ballistic behavior of several propellants from the literature was investigated, with the aim of identifying a relationship between the properties of the included aluminum powders and the resulting burning rate. It was found that the burning rate is influenced by several parameters, including the amount and the characteristics of the aluminum powders. In particular, the specific surface Ssp of the aluminum powders proved to be a leading factor in driving the burning rate of the corresponding propellants. The model accounts for these parameters only implicitly, by means of varying Arrhenius parameters A and Es and heat release terms qs and qg. However, there is currently no direct relationship between the reactivity parameters and the resulting A, Es, qs and qg. A significant portion of the text focuses on the research in the existing literature of proper input data for the model, part of which comes from experimental results previously exposed in other studies, while the remaining was computed analytically or numerically. Propellants of interest included AP, HTPB (Hydroxyl Terminated PolyButadiene)-based binder, and aluminum. In the last part, sensitivity analyses evaluated the robustness of the model to uncertainties in the input data, showing that the most critical inputs are the Arrhenius parameters A and Es and the heat release terms qs and qg.

Questo lavoro di tesi ha come scopo lo sviluppo di un semplice modello monodimensionale capace di descrivere la combustione di propellenti solidi alluminizzati basati su AP (Perclorato di Ammonio) in regime stazionario. In particolare, lo studio si concentra sui propellenti contenenti microalluminio (μAl), nanoalluminio (nAl) o entrambi. Il modello di fiamma αβγ per il profilo di rilascio di calore in fase gassosa è stato analizzato e poi scelto come il miglior candidato per approssimare l’effettivo profilo di rilascio di calore in propellenti basati su AP. Il risultato ha condotto al calcolo e alla rappresentazione grafica del profilo di temperatura lungo l’onda di combustione. Nel caso di propellenti contenenti una distribuzione bimodale di alluminio, è stato proposto un approccio lineare, sia per la legge di Arrhenius che per il rilascio di calore nella fiamma, allo scopo di stimare le proprietà balistiche partendo dai corrispondenti propellenti caricati con distribuzioni monomodali. In aggiunta, è stata proposta una legge esponenziale per il rilascio di calore superficiale qs in funzione della pressione. Si è quindi studiato il comportamento balistico di svariati propellenti trattati in altri lavori, con l’idea di identificare una relazione tra le proprietà delle polveri di alluminio incluse e la velocità di combustione risultante. In particolare, la superficie specifica delle polveri di alluminio Ssp si è dimostrata essere un fattore determinante nell’influenzare la velocità di combustione dei corrispettivi propellenti. Tali parametri non sono direttamente utilizzabili come input del modello, sebbene da essi dipendano i valori dei parametri di Arrhenius A ed Es e i termini di rilascio di calore qs e qg. Una lunga porzione del testo si concentra sulla ricerca nella letteratura di dati di input appropriati per il modello. Una parte di essi deriva da risultati sperimentali precedentemente esposti in altri studi, mentre i rimanenti sono stati calcolati analiticamente o numericamente in questo lavoro. I propellenti d’interesse includevano AP, binder basato su HTPB (PoliButadiene con Terminali Idrossilici) e alluminio. In conclusione, una serie di analisi di sensitività ha valutato la robustezza del modello nei confronti di incertezze nei dati di input, mostrando che gli input più critici sono i parametri di Arrhenius A ed Es e i termini di rilascio di calore qs e qg.