Analysis of quasi-steady and forced transient burning of paraffin-based fuels

A one-dimensional numerical code was implemented using MATLAB. The code is able to compute regression rate trend and the temperature profile inside the solid grain at imposed oxidizer mass flow. Two formulations have been ballistically tested: pure paraffin (mWA-C1) and paraffin blended with 20% of SEBS-MA (mWA-C1-S20); while ignition tests were conducted over an additional blend prepared with 10 wt% SEBS-MA. Ballistic tests were performed with a lab-scale hybrid rocket engine. Combustion processes have been recorded by a high-speed camera and then analyzed to retrieve ballistic results. Two different techniques were applied to analyze the data: the SPLab time-resolved technique, used for the quasi-steady combustion regime, and an automatic-optical routine, applied to forced-transient combustion tests. Quasi-steady combustion results showed a higher regression rate value for mWA-C1 formulation, with a 260% increase over the mWA-C1-S20 burning under the same operating conditions. The automatic-optical routine was found to be in agreement with the manual time-resolved routine for the quasi-steady results. Transient tests data reduction featured several difficulties: no data were retrieved for mWA-C1, while the regression rate undershooting was qualitatively reconstructed and captured for mWA-C1-S20. Consistency between numerical and experimental data was achieved for either quasi-steady or forced-transient tests. Ignition tests, for the measurement of ignition delay, were conducted with a high power laser setup. Both ignition and multiple re-ignition tests were performed at ambient temperature and pressure, in an oxygen saturated atmosphere. Results showed that ignition delay slightly reduced with an increase of SEBS-MA mass fraction.

Un codice numerico monodimensionale è stato implementato utilizzando MATLAB. Il codice è in grado di calcolare l'andamento del rateo di regressione e il profilo di temperatura all'interno del grano solido ad una portata di massa ossidante imposta. Due formulazioni sono state testate balisticamente: paraffina pura (mWA-C1) e paraffina miscelata con 20% di SEBS-MA (mWA-C1-S20); mentre le prove di accensione sono state effettuate con una miscela aggiuntiva preparata con 10 wt% SEBS-MA. I test balistici sono stati eseguiti con un endoreattore ibrido in scala. I processi di combustione sono stati registrati con una telecamera ad alta velocità e quindi analizzati per estrarre i risultati balistici. Per analizzare i dati sono state applicate due diverse tecniche: la tecnica istantanea SPLab, utilizzata per il regime di combustione quasi-stazionario, e una routine ottica automatica, applicata ai test di combustione in transitorio forzato. I risultati della combustione quasi-stazionaria hanno mostrato un valore di rateo di regressione più elevato per la formulazione mWA-C1, con un aumento del 260% rispetto alla combustione di mWA-C1-S20 nelle medesime condizioni operative. La routine ottica automatica è risultata essere in accordo con la routine manuale istantanea per i risultati quasi-stazionari. La riduzione dei dati dei test transitori ha presentato diverse difficoltà: non sono stati recuperati dati per mWA-C1, mentre l’undershooting del rateo di regressione è stato ricostruito qualitativamente e catturato per mWA-C1-S20. L’accordo tra dati numerici e sperimentali è stato raggiunto sia per le prove quasi-stazionarie sia per quelle di transitorio forzato. Le prove di accensione, per la misurazione del ritardo di accensione, sono state effettuate con un laser ad alta potenza. Sia prove di accensione che prove di riaccensione multiple sono state effettuate a temperatura e pressione ambiente, in atmosfera satura di ossigeno. I risultati hanno mostrato che il ritardo di accensione si è leggermente ridotto con un aumento della frazione di massa di SEBS-MA.