Numerical simulation for liquefying fuels

The use of liquefying fuels appears to be a promising way to overcome the intrinsic limitations of slow regression rate of solid fuels used in hybrid rocket engines. In a liquefying fuel (eg paraffin waxes) a thin layer of melted material is formed at the surface of the grain. This enables mass transfer via entrainment from the liquid layer to the gas flow, hence increasing the overall regression rate of the fuel. In this thesis, numerical methods are used to investigate the entrainment of a liquid layer submitted to a gas flow. The effects of viscosity and dynamic pressure on the entrained mass flow rate and the droplet size distribution are highlighted. Results show that a decrease in viscosity leads to smaller droplets, in good agreement with what is observed in atomization processes with high Weber and Ohnesorge numbers. On the other hand, a decrease in dynamic pressure has the opposite effect. The study of the entrained mass flow rate led to a correlations in good agreement with the literature. The conditions leading to the onset of entrainment are also studied via numerical simulation of the Kelvin-Helmholtz instability. It is shown that the viscosity has a de-stabilizing effect for long waves while surface tension stabilizes short waves. Finally, a study of the effect on the entrainment of the inclusion of a scaffold structure within the grain is conducted. For the particular sinusoidal shape studied, the introduction of this feature induces the existence of a critical liquid layer height below which entrainement is prevented. Above this critical point, simulations have shown that vortices generated by the peculiar shape of the inlet are responsible for the onset of entrainment.

L'uso di carburanti liquefatti sembra essere un modo promettente per superare le carenze dei razzi a propellente ibrido. In questa tesi sono stati usati metodi numerici per studiare l’entrainment di uno strato liquido sottoposto ad un flusso di gas. Sono stati evidenziati gli effetti della viscosità e della pressione dinamica sulla portata massica centrata e sulla distribuzione dimensionale delle goccioline. I risultati mostrano che una diminuzione della viscosità causa goccioline più piccole, mentre una diminuzione della pressione dinamica ha l'effetto opposto. Le condizioni che portano all'inizio dell’entrainment sono studiate anche attraverso la simulazione numerica dell'instabilità di Kelvin-Helmholtz. È dimostrato che la viscosità ha un effetto de- stabilizzante per le onde lunghe mentre la tensione superficiale stabilizza le onde corte. Infine, è stato condotto uno studio sull'effetto sull’entrainment del'inclusione di una struttura di impalcatura all'interno del grano. L’entrainment è ancora osservato grazie alla formazione periodica di vortici all'ingresso, causati dalla particolare forma della struttura presa in considerazione.