Testing and analysis of combustion visualizations in hybrid rocket engines

In recent years, there has been a renewed interest in hybrid rocket propulsion due to some clear advantages this technology presents compared to solid and liquid propulsion systems, e.g. simplicity, low costs, increased safety. Moreover, the introduction of the liquefying fuels has allowed to overcome the problem of the low regression rate associated to conventional polymeric fuels. However, the combustion behavior of liquefying fuels is not completely understood yet. Until now, no general theoretical model exists and experimental investigation is also challenging, because of extreme conditions, which make it impossible to use in-situ diagnostics. For these reasons, combustion visualizations are a viable solution for studying the burning process within the turbulent boundary layer of a hybrid rocket engine. The present research focuses on the development of an optical testing routine and a combined improved post-processing methodology. The final aim is the characterization of the combustion process in a detailed way, thus getting insights into the complex phenomena taking place within a hybrid engine. First, in the framework of this study, a pre-existing optical combustion chamber, equipped with high-speed video imaging set-up, has been improved by adding a newly designed flow conditioning system. The system is thought to settle down the oxidizer flow and reduce its vorticity and inhomogeneities, before entering the main chamber. The solution implemented has been validated through an ambient-condition test campaign, carried out at M11 of the German Aerospace Center (DLR) in Lampoldshausen. A qualitative analysis of the combustion processes visualized has been done, demonstrating the advantages provided by the introduction of the designed solution. Second, a code for the high-speed video analysis, semi-automatic, has been developed in MATLAB® using videos of tests performed in past. It is based on the combination of K-means clustering and image segmentation. At the end of the algorithm the flame and fuel profiles are reconstructed for each frame of the combustion video. Therefore, the flame thickness and the slab regression rate evolutions during the combustion can be evaluated. Finally, the Background Oriented Schlieren (BOS), an optical technique which requires less set-up effort than classical Schlieren, has been applied on a fire test to visualize the boundary layer. A MATLAB® code has been developed for the estimation of the height of the boundary layer by point-click over the set of images acquired. However, test has not led to the desired results.

Negli ultimi anni si è diffuso un rinnovato interesse per la propulsione ibrida grazie ad alcuni chiari vantaggi che questa tecnologia offre rispetto ai sistemi a propulsione solida e liquida, quali ad esempio la semplicità costruttiva, i bassi costi e una maggiore sicurezza. Inoltre, l’introduzione dei combustibili bassofondenti ha permesso di risolvere il problema della bassa velocità di regressione, caratteristico dei combustibili polimerici convenzionali. Il comportamento di questi nuovi combustibili durante la combustione non è stato tuttavia ancora pienamente compreso. Ad oggi, infatti, non è stato sviluppato alcun modello teorico che abbia valenza generale e, per quanto riguarda l’indagine sperimentale, quest’ultima risulta difficile da eseguire a causa delle condizioni estreme che rendono impossibile utilizzare la diagnostica in-situ. Pertanto, l’analisi ottica risulta essere al momento la soluzione migliore per studiare il processo di combustione negli ibridi. Il presente studio è incentrato sullo sviluppo di una metodologia di test che combini l’analisi ottica con una adeguata routine di post-processing. L’obiettivo finale è la caratterizzazione del processo combustivo, così da approfondire i complessi fenomeni che avvengono all’interno di un motore ibrido. Innanzitutto, una camera di combustione preesistente, dotata di accessi ottici, è stata migliorata con l’aggiunta di un sistema di condizionamento del flusso interamente progettato e costruito durante questa ricerca. Il sistema è pensato per rendere il flusso di ossidante il più omogeneo possibile prima che arrivi in camera di combustione, riducendone la vorticità e la turbolenza. La validazione è stata effettuata eseguendo una campagna di test a fuoco in condizioni atmosferiche presso il complesso M11 del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR) con sede a Lampoldshausen (Germania). I risultati ottenuti sono stati analizzati qualitativamente dimostrando i vantaggi forniti dall’introduzione del sistema progettato. In MATLAB® si è poi scritto un codice semi-automatico per l’analisi dei video ad alta velocità. Il codice, sviluppato utilizzando video di test svolti in precedenza, si basa sulla combinazione dell’algoritmo di clustering K-means con tecniche di segmentazione delle immagini. Il codice scritto permette di ricostruire per ogni frame di un video i profili della fiamma e del provino di combustibile, così da poter valutare l’evoluzione dello spessore della fiamma e il variare della velocità di regressione del provino durante la combustione. Infine, si è utilizzata la Background Oriented Schlieren (BOS), tecnica che richiede un set-up meno complesso della Schlieren classica, su un test a fuoco, con l’obiettivo di visualizzare lo strato limite durante la combustione. Inoltre, è stato sviluppato un codice MATLAB® con cui stimare manualmente l’altezza dello strato limite. Tuttavia, il test non ha portato al risultato desiderato.