Aluminum agglomerates in the core flow of a windowed rocket : simulation and experimental characterization

The multiphase and reacting flow field inside Solid Rocket Motors (SRMs) involves different and complex phenomena. Many challenges in terms of performance estimation, pollution, thermal and chemical loading arise from the extreme physical phenomena governing those systems. Commonly, aluminum powder is used to improve performance, leading at the same time to disadvantages such as formation of condensed combustion products (CCPs), particle accumulation, nozzle erosion, and pollution (i.e. increased primary smoke by exhaust of alumina and contribution to ozone depletion). The condensed particles undergo droplet breakup, condensation, evaporation, gas and surface phase reactions while they are carried through the nozzle by the gaseous mixture. In the past, great effort was put into the definition of the size and composition of the particulate phase, collecting the CCPs in the vicinity of the surface, thus defining only the initial condition of alumina particles evolution. The present work focuses on the alumina evolution inside the nozzle, trying to simplify the complex physics in order to create a comprehensive model of the SRM flow field. For this purpose, the present work focuses on two main topics: (1) development of a novel experimental device enabling nozzle-flow visualization. This apparatus consists of a two-dimensional windowed rocket motor operating at pressure up to 15 bar. The experimental setup comprises a high speed camera enabling the visualization of the breakup and coalescence process. These processes as a function of agglomerate size and flow conditions have never been investigated in a lab-scale supersonic accelerating environment. (2) Coupling of an Eulerian gas phase description and Lagrangian particle tracking in the open-source environment Open- FOAM. A multiphase and supersonic flow has been modeled, enabling the description of clouds of particles of different size. The diameter distribution in the vicinity of the burning surface, derived from a dedicated experimental propellant characterization, and the species fraction resulting from thermodynamic computation are used as input information for the study. Different breakup models available in the literature have been implemented and compared against the experimental data. The results from a comparison between these two methodology suggest that the solver implemented, using the PilchErdman breakup model, is able to predict with a good accuracy the breakup phenomena observed in the experiments.

Diversi fenomeni fisici sono coinvolti nello studio del flusso multifase di un Motore a Propellente Solido. Sfide riguardanti la stima delle prestazioni, inquinamento, carichi chimici e termici sorgono dai complessi fenomeni fisici che governano questi sistemi. È comune l’uso della polvere di alluminio al fine di aumentare le prestazioni del motore, portando allo stesso tempo a svantaggi quali la formazione di residui di combustione, accumulazione di particelle, erosione dell’ugello e inquinamento (i.e. aumento dei gas di scarico principalmente formati da ossido di alluminio e agenti che contribuiscono all’impoverimento dell’ozono). Le particelle, che vengono trasportate attraverso l’ugello dalla miscela gassosa, subiscono diversi fenomeni quali breakup, condensazione, evaporazione e reazioni tra la fase gassosa e la superficie delle stesse. Nei decenni precedenti, molti sforzi sono stati fatti per definire la grandezza e la composizione delle particelle, raccogliendo i CCP nella vicinanza della superficie del propellente e pertanto definendo solo le condizioni iniziali delle particelle di ossido di alluminio. È evidente che una previsione del comportamento del flusso multifase nei processi di combustione ed espansione in un ugello deve essere presa in considerazione e che debbano essere proposti nuovi concetti per la comprensione della miscela gassosa e delle particelle stesse. In particolare, bisogna indagare a fondo sulle incertezze riguardanti lo stato, la grandezza e la distribuzione delle particelle di ossido di alluminio e sulla loro influenza sulla miscela gassosa. Il presente lavoro vuole focalizzarsi sull’evoluzione delle particelle di ossido di alluminio all’interno dell’ugello provando a semplificare le complessità fisiche per avere un modello comprensivo del flusso all’interno di un Motore a Propellente Solido. Per questo motivo ci siamo occupati di due macro argomenti: (1) sviluppo di una nuova linea sperimentale che permetta la visualizzazione del flusso nell’ugello. Questo sistema consiste in un motore bi-dimensionale dotato di finestra che sia in grado di lavorare ad una pressione fino a 15 bar. La configurazione sperimentale comprende una fotocamera ad alta velocità che permette la visualizzazione dei processi di breakup e coalescenza delle particelle. Questi processi sono in funzione della dimensione degli agglomerati e delle condizioni del flusso e non sono mai stati studiati a livello supersonico in ambiente di laboratorio. (2) accoppiamento di una descrizione Euleriana del flusso gassoso e Lagrangiana del tracciamento delle particelle attraverso l’utilizzo del software open-source OpenFOAM. Un flusso supersonico multifase è stato modellato, permettendo la descrizione di gruppi di particelle di diverse dimensioni. La distribuzione dei diametri delle particelle, che è derivata da caratterizzazioni sperimentali del propellente e delle frazioni massiche delle specie ricavate da calcoli termodinamici, è usata come informazione iniziale per lo studio. Differenti modelli di breakup disponibili in letteratura sono stati utilizzati e comparati rispetto ai dati sperimentali. I risultati, ottenuti attraverso la comparazione di queste due metologie, affermano che il solver implementato, utilizzando PilchErdman come modello di breakup, è in grado di replicare in modo abbastanza accurato i fenomeni di breakup osservati sperimentalmente.