Combustion chamber height effect on VFP engine

This work is focused on the characterization of the effects of the combustion chamber height changes in a peculiar hybrid rocket engine (HRE), the vortex flow pancake (VFP). This engine is characterized by a vortex flow injection of the oxidizer between two fuel disks. One of the fuel disks features a port. During the combustion the propellant mixture passes through the port to expand in the gasdynamic nozzle of the motor. The fuel disks regresses (ideally) increasing their distance from each other, but remaining parallel to each other. The combustion chamber height changes influence the vortex structure that in turn affects the regression rate of the solid fuel. In this work, the effects of the combustion chamber height (i.e., separation between the fuel disks) are evaluated by three different approaches. The first one is the CFD analysis of the VFP. The second one is the experimental investigation of the cold flow internal flowfield of the VFP by the design and implementation of a dedicated setup where the vortex structure is visualized. The third one is the execution of combustion tests on the VFP motor. Focusing on the experimental characterization of the internal flowfield of the motor, and on the combustion runs, the effects of the chamber height were identified. In particular, for a fixed mass flow rate, as the combustion chamber height increases, the vortex structure becomes less recognizable with lower velocities. This yielded to a power law correlation of the rf to the total mass flux (Gtot) with an exponent of 0.54.

Questo lavoro si è focalizzato sulla caratterizzazione dell'effetto che la variazione di altezza di camera ha su un particolare motore a razzo ibrido (HRE), il vortex flow pancake (VFP). Questo motore è caratterizzato dall'iniezione vorticosa di un flusso di ossidante in mezzo a due dischi di combustibile. Uno dei dischi di combustibile presenta un foro. Durante la combustione la miscela di propellente passa attraverso il foro per espandere nell'ugello gasdinamico del motore. I dischi di combustibile regrediscono (idealmente) incrementando la distanza tra loro, ma rimanendo paralleli l'uno all'altro. L'altezza della camera di combustione cambia i nfluenzando la struttura del vortice che a sua volta influenza il rateo di regressione del combustibile solido. In questo lavoro, gli effetti dell'altezza di camera (ovvero la separazione tra i dischi di combustibile) sono valutati con tre differenti approcci. Il primo è l'analisi CFD del VFP. Il secondo è un'analisi sperimentale del campo di flusso interno, a freddo, del VFP progettando e implementando un setup dedicato in cui viene visualizzata la struttura del vortice. Il terzo è l'esecuzione di test di combustione sul motore VFP. Concentrandosi sulla caratterizzazione sperimentale del campo di flusso interno del motore, e sui test di combustione, sono stati identificati gli effetti dell'altezza della camera. In particolare, per una portata massica fissa, all'aumentare dell'altezza della camera di combustione, la struttura del vortice diventa meno riconoscibile con velocità inferiori. Questo ha portato ad una correlazione con una legge di potenza del rf alla portata specifica totale (Gtot) con un esponente di 0.54.