A CFD Analysis on HREs Using Swirl Injection and Paraffin-based Fuel

The TOPUS student rocketry group at the University of São Paulo is developing a hybrid rocket engine for a future sounding rocket competition. The engine design, currently in its final phase, incorporates two innovative performance enhancement strategies: swirl injection of nitrous oxide (N2O) and the use of paraffin as a fuel. CFD analyses were conducted separately on the injector and combustion chamber to simulate the three-dimensional swirl flow within the injector, assess the effect of swirl injection on combustion in a two-dimensional domain, and obtain promising results in terms of pressure and thrust increase compared to axial injection. A parametric analysis was also performed to model the liquid paraffin layer on the fuel grain surface. The information obtained from the CFD analyses provides crucial support for the optimization of the hybrid engine design in preparation for the sounding rocket competition.

Il gruppo di studenti TOPUS dell’Università di San Paolo sta sviluppando un motore a razzo ibrido per una futura competizione di sounding rocket. Il design del motore, attualmente nella sua fase finale, incorpora due strategie innovative per l’incremento delle prestazioni: l’iniezione swirl di ossido nitroso (N2O) e l’uso della paraffina come combustibile, nota per la bassa temperatura di fusione. Analisi CFD sono state condotte separatamente sull’iniettore e sulla camera di combustione per simulare il flusso swirl tridimensionale all’interno dell’iniettore, valutare l’effetto dell’iniezione a vortice sulla combustione in un dominio bidimensionale e ottenere risultati promettenti in termini di aumento di pressione e spinta rispetto all’iniezione assiale. È stata eseguita anche un’analisi parametrica per modellare lo strato di paraffina liquida sulla superficie del grano di combustibile che, instabilizzata dal flusso di ossido nitroso, permette di aumentare il regression rate del grano di combustibile. Le informazioni ottenute dalle analisi CFD forniscono un supporto cruciale per l’ottimizzazione del design del motore ibrido in preparazione per la competizione di sounding rocket.