Feasibility of a new gaseous oxidizer injector based on overexpanded nozzles

The increasing interest in green propellants for space propulsion has motivated the effort ofSPLab of Politecnico di Milano in the development of a liquid rocket engine, fueled by high-test peroxide and ethanol. The object of this thesis is the feasibility study of a new injectionplate for a primary propulsion unit of a lab-scale rocket motor. The innovative characterof this work lies in the use of converging diverging nozzle in over expanded condition fora gas-gas injection strategy. The study has been conducted with the open-source softwareOpenFOAM, that allowed a preliminary design and the fluid characterization of nozzle flowfor the oxidizer injectors. The use of numerical simulations enabled the investigation of geo-metric parameters effects on the flow, governed by the shock wave boundary layer interaction.In particular, a one factor at time analysis has been conducted to investigate the influenceof the expansion ratio, inlet section, divergent length of the nozzle, accompanied by two analysis in off-designs conditions in order to verify the effects of temperature and pressure of the flow. The validation of the numerical simulations is based on empirical separation criteria, whose accuracy has been evaluated through a comparison with experimental results available in the open literature. The most accurate criteria for low nozzle pressure ratio are resulted Schilling and Zukoski, that have been applied to numerical simulation to quantify the global accuracy.

Il crescente interesse verso l’utilizzo dei propellenti green ha indirizzato gli sforzi del SPLabdel Politecnico di Milano verso lo sviluppo di un motore liquido bipropellente a base di una miscela acquosa ad alta concentrazione di perossido di idrogeno ed etanolo. L’obiettivo di questa tesi `e uno studio di fattibilità su una nuova testata di iniezione per un'unità propulsiva primaria di un motore spaziale di scala laboratoriale. Il carattere innovativo del lavoro risiede nell’uso di ugelli convergenti divergenti in condizioni sovraespanse per una strategia di iniezione gas-gas. Lo studio é stato condotto con il software open-source openFOAM, impiegato in un’analisi di sensitività parametrica per la definizione di un design preliminare e la caratterizzazione fluidodinamica degli iniettori di ossidante. L’utilizzo di simulazioni numeriche ha favorito la rilevazione degli effetti della geometria sul flusso, governato dall’interazione shock wave boundary layer (SWBLI). In particolare , un’analisi one-factor-at-time è stata utilizzata per studiare l’influenza del rapporto di espansione, della lunghezza del divergente, dell’area di ingresso e della forma del divergente sul flusso interno. Sono state eseguite due analisi in condizioni di off-design, per verificare gli effetti di temperatura e pressione. La validazione delle simulazioni numeriche è basata sui criteri di separazione empirici, la cui accuratezza è stata misurata attraverso il confronto con risultati sperimentali disponibili in letteratura. I criteri più precisi per bassi rapporti di pressione (NPR) sono risultati Schilling e Zukoski, che sono stati applicati alla simulazione numerica per quantificarne l’accuratezza globale.