Depressurization of solid propellant combustion : transient flame modeling and preliminary experimental setup

This thesis work focuses on the development of a numerical model able to fully investigate solid propellant depressurization. The study addresses the whole spectrum of depressurization rates, within the field delimited by the quasi-steady Pressure Deflagration Limit (PDL) and the extreme dynamic extinction ranging up to 10000 atm/s. The method is based on the QSHOD framework, which assumes a quasi-steady gas phase, a homogeneous condensed phase and the global mono-dimensionality of the entire system investigated. The alpha-beta-gamma transient flame model has been implemented in order to asses the heat release from the gaseous phase. The propellant tested is composed by AN (Ammonium Nitrate), AP (Ammonium Perchlorate) and HTPB(Hydroxyl Terminated PolyButadiene)-based binder. Due to the impossibility of an experimental measure, part of the propellant thermophysical properties are reasonably assumed from literature, while the rest is computed by the use of numerical sub-models. Particular attention is given to the computation of the characteristic time of the gas phase and the flame elongation, both numerically obtained from an energy balance at steady-state conditions. Basing on this assumption, these two last parameters result to be pressure dependent only. This is in accordance with the data available from the literature, regarding both the type of propellant tested and the phenomenon of depressurization itself. However, the validity of this choice has to be verified by an experimental investigation, which is not the aim of this thesis work. Numerical tests have been conducted varying both the depressurization rate and the initial pressure. The results provide the profiles of the surface temperature, the burning rate and the heat flux during the execution of the transient. Together with the numerical model, a new experimental set up has been preliminarily arranged. Due to the use of a proportional electro-valve, the testing rig guarantees the control of solid propellant combustion during an imposed depressurization history. The aim is to verify from a physical point of view the data provided by the numerical model. A selection of the main components have been defined, together with the design of a preliminary control system. The optimization of the line and experimental tests have been performed in contemporary thesis work.

Questo lavoro di tesi ha come scopo lo sviluppo di un modello numerico in grado di descrivere in modo completo la depressurizzazione di propellenti solidi. Lo studio spazia sull'intero campo dei ratei di depressurizzazione, dalla quasi-stazionaria Pressione Limite di Deflagrazione (PDL) fino a ratei di 10000 atm/s. Il metodo è stato modellato seguendo le assunzioni delineate dalla teoria QSHOD, la quale assume una fase gassosa quasi-stazionaria, una fase solida omogenea e la globale monodimensionalità del sistema indagato. Il modello instazionario di fiamma alpha-beta-gamma è stato sviluppato per descrivere il rilascio di calore in fase gassosa. La formulazione del propellente testato è composta da AP (Perclorato di Ammonio ), AN (Nitrato di Ammonio) e binder basato su HTPB (PoliButadiene con Terminali Idrossilici). Data l'impossibilità di misurare sperimentalmente le proprietà termofisiche del materiale, parte di esse sono state ragionevolmente assunte dalla letteratura, mentre altre sono state calcolate tramite sotto-modelli numerici. Particolare attenzione è stata rivolta al calcolo del tempo caratteristico della fase gassosa e dell'elongazione della fiamma, entrambi calcolati numericamente tramite un modello numerico basato su un equilibrio in condizioni stazionarie. Sulla base di questa assunzione, i suddetti parametri risultano essere dipendenti solo dalla pressione. Questo è in accordo con quanto affermato dai dati presenti in letteratura, legati al tipo di propellente indagato e al fenomeno stesso della depressurizzazione. Inoltre, questa dipendenza risulta essere la più ragionevole per la necessità di fornire una semplice e preliminare indagine del fenomeno. La validità di questa scelta deve comunque essere verificata tramite un'analisi sperimentale, che tuttavia non è stata obiettivo di questa tesi. I test numerici sono stati svolti variando sia i ratei di depressurizzazione che le pressioni iniziali. I risultati hanno portato alla definizione dei profili di temperatura superficiale, rateo di combustione e flusso di calore in condizioni instazionarie. Contemporaneamente al modello numerico, una nuova linea sperimentale dedicata all'indagine dei suddetti ratei è stata preliminarmente implementata. In particolare, la linea si avvale di una elettrovalvola proporzionale che garantisce il controllo della combustione dei propellenti soliti durante una depressurizzazione imposta. Lo scopo principale è verificare i risultati ottenuti dal modello numerico tramite test fisici. E' stata effettuata una selezione dei componenti e un preliminare progetto di un controllore. \\ L'ottimizzazione della suddetta linea e del sistema di controllo, contemporaneamente ai test sperimentali, sono stati effettuati in lavori di tesi paralleli.