Quasi-1D modelling and CFD techniques for design and off-design analysis of ducted rocket propulsion systems

Ducted rocket motors represent a key advancement in air-breathing propulsion systems, offering a balance between solid rocket motors and liquid-fuelled ramjets. This thesis focusses on developing techniques for the design and analysis of the off-design of ducted rocket propulsion systems. A new parametric variable-flow ducted rocket quasi-1D model is developed within MATLAB, allowing rapid iteration capability between different design solutions. The model is designed to generate boundary conditions for internal combustion simulations, facilitating design verification of the ducted rocket combustion chamber, reducing the need for expensive experimental campaigns in the preliminary phase. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques for ducted rocket applications are investigated, and a methodology is investigated for integrating the quasi-1D model output with the ANSYS software suite to produce internal combustion simulations. The functionalities of the quasi-1D model are tested and demonstrated: through validation using publicly accessible experimental results, reverse engineering of an existing system, the design of a novel ducted rocket propulsion system and an off-design performance analysis of such system. The model’s capability to test a ducted rocket configuration by varying the pyrolant composition is also demonstrated. This study provides a useful and reliable parametric tool for the industrial field, especially for the development of ducted rockets for military applications.

I motori ducted rocket rappresentano un progresso fondamentale nei sistemi propulsivi air-breathing, offrendo una via di mezzo tra i motori a razzo a combustibile solido e i ramjet a combustibile liquido. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di tecniche per la progettazione e l’analisi dell’off-design dei sistemi propulsivi ducted rocket. Un nuovo modello parametrico quasi-1D di un ducted rocket a flusso variabile è sviluppato su MATLAB, consentendo la possibilità di iterazioni rapide tra diverse soluzioni di progettazione. Il modello è progettato per generare condizioni al contorno per simulazioni di combustione interna, facilitando la verifica del progetto della camera di combustione del ducted rocket, riducendo la necessità di costose campagne sperimentali nella fase preliminare. Vengono studiate tecniche di fluidodinamica computazione (CFD) per applicazioni ai ducted rocket, e viene studiata una metodologia per l’integrazione dell’output del modello quasi-1D presentato con il pacchetto di software ANSYS per produrre simulazioni di combustione interna. Le funzionalità del modello quasi-1D vengono testate e dimostrate: attraverso la validazione utilizzando risultati sperimentali accessibili pubblicamente, il reverse engineering di un sistema esistente, la progettazione di un nuovo sistema di propulsione ducted rocket e un’analisi delle prestazioni fuori progetto di tale sistema. È stata inoltre dimostrata la capacità del modello di testare una configurazione di ducted rocket variando la composizione del pirolante. Questo studio fornisce uno strumento parametrico utile e affidabile per il settore industriale, in particolare per lo sviluppo di ducted rocket per applicazioni militari.