Phase transition relaxation procedures for Baer-Nunziato type models applied to self-pressurizing tanks dynamics

Self-pressurizing tanks technology is very attractive as it avoids the inert mass introduced by external pressurizing tanks, turbopumps or other classical pressurization strategies. However, accurate modelling of the draining dynamics is needed in order to properly estimate the rocket performance. The aim of this thesis is to develop finite rate relaxation procedures for the source terms that model the exchange of mass, momentum and energy among the phases. Finite rate relaxation of chemical potentials and temperature are finally implemented to an already existing one-dimensional multiphase Baer-Nunziato type model that was developed in a previous master thesis at Politecnico di Milano. The finite rate results are compared to the full phase and thermodynamic equilibrium results for three experimental nitrous oxide test cases coming from the literature. The initial pressure and temperature drop are now predicted by the multiphase model thanks to the finite rate procedures.

La tecnologia dei serbatoi autopressurizzanti è molto interessante in quanto evita la massa inerte introdotta da serbatoi di pressurizzazione esterni, turbopompe o altre strategie di pressurizzazione classiche. Tuttavia, è necessaria una modellazione accurata delle dinamiche di drenaggio per stimare adeguatamente le prestazioni del razzo. Lo scopo di questa tesi è sviluppare procedure di rilassamento a velocità finita per i termini sorgente che modellano lo scambio di massa, quantità di moto ed energia tra le fasi. Il rilassamento a velocità finita dei potenziali chimici e della temperatura viene infine implementato in un modello di tipo Baer-Nunziato multifase unidimensionale già esistente che è stato sviluppato in una precedente tesi di laurea al Politecnico di Milano. I risultati a velocità finita vengono confrontati con i risultati di fase completa e di equilibrio termodinamico per tre casi di test sperimentali di protossido di azoto provenienti dalla letteratura. La caduta di pressione e temperatura iniziale sono ora previste dal modello multifase grazie alle procedure a velocità finita.