Experimental and numerical analysis of the slag entrapment in Ariane 5 solid rocket motors

The accumulation of alumina is an inherent problem in Solid Rocket Motors (SRM). In the Von Karman Institute this problem have been studied using a scale model of Ariane 5 booster where alumina is modeled with water. The Stokes number is maintained. After a parametric test, the relevant parameter found to be responsible for the entrapment of particles, was the horizontal distance between the tip of the isolation ring (inhibitor) and the nozzle tip. This parameter is named as Obstacle tip to Nozzle tip (OT2NT). The problem found during Tóth investigation was that a large part of the water accumulation in the cavity was due to the dripping of the inhibitor. The first objective of the experimental part have been to reduce the dripping modifying the inhibitor design. The design found to minimize the dripping is the one with no extra absorbing material and a wider top plate (24mm). A posteriori, a parametric tests was done. OT2NT has been confirmed to be the main responsible while the accumulation for the new system is around a half of Tóth results. The aim of the numerical part have been to apply an existent code, Open- Foam twoPhaseEulerFoam library, based on the finite volumes. Then this code have been modified in order to handle with five dispersed phases with different properties, named as sixPhaseEulerFoam. The codes have been verificated through a direct comparison with existing publications. Then a sensitivity study to numerical parameters has been done. For twoPhaseEulerFoam it has been found than the results are close to the existing ones while for the sixPhaseEulerFoam although the behavior of the solution is the one expected, its values are overestimated giving only a qualitatively valid answer to the problem. Finally, twophaseEulerFoam is applied to the booster geometry studied in the experimental part. Due to the fact that OT2NT has been determined as the main responsible for the entrapment, three different geometries showing three different OT2NT (25.69, -4.31 and -25.91 mm) values have been tested. It was found that for positive values, nozzle over the inhibitor tip, the entrapment increases while it decreases for negative values (the same behavior than found in the experiments).

Il problema dell'accumulo di allumina è intrinseco all’utilizzo del grano propellente alluminizzatto nei motori a propulsione solida. Al Von Karman Institute questo problema è stato studiato in una riproduzione in scala del booster usato nell’Ariane 5, modellando l'allumina con acqua e i gas con aria. Il numero di Stokes viene mantenuto. Dopo il studio parametrico fatto da Tóth si è giunti alla conclusione che è possibile correlare il comportamento dell'accumulo di acqua nella cavità in prossimità dell'ugello in funzione della distanza orizzontale tra la punta dell’anello termico (inibitore) e l'ugello medesimo (OT2NT). Si è osservato che lo sgoccialamento dall’inibitore può influenzare pesantemente i risultati: i residui presenti erano il doppio rispetto ai valori reali. Il primo obbiettivo della parte sperimentale è stato ridurre lo sgocciolamento con un nuovo disegno per l'inibitore. Il disegno scelto non usa materiali assorbenti ma ha un sistema di trappole ricoperte da una lamina di 24 mm. A posteriori è stato realizzato uno studio parametrico riscontrando che OT2NT è ancora il parametro dominante nel fenomeno, ma lo sgocciolamento si è dimezzato avvicinandosi ai risultati noti dal caso reale. Per quanto riguarda la parte numerica si è applicato il risolutore twoPhase- EulerFoam, parte di OpenFoam, basato sul modello dei volumi finiti. A posteriori, questo modello è stato modificato per essere capace di gestire 5 fasi disperse con le loro rispettive caratteristiche (sixPhaseEulerFoam). I codici elaborati sono stati verificatii confrontandoli direttamente con risultati di pubblicazioni esistenti. Si è inoltre effettuata una analisi di sensibilità per diversi parametri numerici. Per quanto riguarda la twoPhaseEulerFoam si è ricavato che i risultati sono molto simili a quelli già presenti in letteratura, mentre il modello sixPhaseEulerFoam presenta l'andamento attesso delle diverse grandezze ma i relativi valori sono sovrastimati ed quindi serve esclusivamente per dare una risposta qualitativa. Per finire, i codici di calcolo presentati sono stati applicati al problema in studio. Notando che in precedenza si era osservato che il parametro più importante era OT2NT, 3 configurazioni geometriche per valori di OT2NT di 25.69,-4.31 e -25.91 mm sono state simulate. Si è trovato che il valore dell'accumulazione trovato numericamente mostra lo stesso comportamento che quello trovato sperimentalmente: per valori positivi di OT2NT , con l'ugello al di sopra della punta dell'inibitore, l'accumulazione cresce mentre per valori negativi decresce.