The search for green propellants, driven by the increasing focus on environmental sustainability, has led to the study of the promising hydrogen peroxide and kerosene combination but with several critical issues yet to be resolved. Indeed, kinetic mechanisms in the literature that use this propellant couple are composed of a large number of species and reactions, making them unsuitable for CFD simulations, an important tool for performing early design analyses. Therefore, smaller schemes are developed through reduction processes or by combining a simple pyrolysis model with a more or less detailed oxidative mechanism. Some of these models from the literature are compared with a complete one in terms of three combustion parameters: ignition delay time, laminar flame speed and species concentration. These comparisons highlight their limitations and lead to the development of a new "bottom-up" approach. New mechanisms are thus generated by adding reactions, taken from POLIMI_KEROSENE_HT , from zero, along with a modified HyChem fuel-pyrolysis model that display CO as product and CH3 and C2H4 as only hydrocarbons. An optimization of the Arrhenius pre-exponential factor A and of the activation energy Ea is performed to match selected target profiles between the new mechanism and a detailed one. The result is TUNED, a 14 species and 33 reaction scheme which approximate the chosen profiles of the reference model, HC_PKHT , with an overall error of 15.86%. Further improvements are achieved by discarding one or more reactions from the previous fuel-breakdown model generating four additional mechanisms, TUNED−V2, TUNED−V3, TUNED−V4 and TUNED−V5, with the previous defined error, respectively, of 11.71%, 11.68%, 12.83% and 14.76%, each with its own strengths and weaknesses. The one selected as the best in terms of trade-off between the target combustion parameters is TUNED−V4, comprising 14 species and 31 reactions.

La ricerca di propellenti "green", dovuta alla crescente attenzione alla sostenibilità ambientale, ha condotto allo studio della promettente combinazione di kerosene e perossido di idrogeno ma con diverse criticità da risolvere. Infatti, i meccanismi cinetici presenti in letteratura che utilizzano questa coppia di propellenti sono composti da un gran numero di specie e reazioni, rendendoli inadatti alle simulazioni CFD, uno strumento fondamentale per eseguire analisi preliminari di progettazione. Per questo motivo, vengono sviluppati schemi ridotti attraverso processi di riduzione o combinando un semplice modello di pirolisi con un meccanismo ossidativo più o meno dettagliato. Alcuni di questi modelli tratti dalla letteratura sono confrontati con uno dettagliato in termini di tre parametri di combustione: ritardo di accensione, velocità di fiamma laminare e concentrazione delle specie. Questi confronti evidenziano i loro limiti, portando allo sviluppo di un nuovo approccio "bottom-up". Vengono così nuovi meccanismi aggiungendo reazioni, tratte da POLIMI_KEROSENE_HT , da zero, insieme al modello di pirolisi dell’HyChem modificato che presenta CO come prodotto, e CH3 e C2H4 come unici idrocarburi. Viene eseguita un’ottimizzazione del fattore pre-esponenziale di Arrhenius A e dell’energia di attivazione Ea in modo da far coincidere dei profili scelti tra il nuovo meccanismo e quello dettagliato di riferimento. Il risultato è TUNED, uno schema di reazione composto da 14 specie e 33 reazioni che approssima i profili scelti del modello di riferimento, HC_PKHT , con un errore del 15.86%. Ulteriori miglioramenti sono ottenuti scartando una o più reazioni dal precedente modello di pirolisi, generando quattro nuovi meccanismi, TUNED−V2, TUNED−V3, TUNED−V4 e TUNED−V5, che presentano un valore dell’errore sopra definito di, rispettivamente, 11.71%, 11.68%, 12.83% e 14.76%, ognuno con i propri punti di forza e debolezza. Quello selezionato come il migliore in termini di compromesso tra i parametri di combustione scelti è TUNED−V4, composto da 14 specie e 31 reazioni.

Development of a reduced kinetic scheme for RP-1 combustion in hydrogen peroxide

FONTANA LEMMI, DAVIDE
2024/2025

Abstract

The search for green propellants, driven by the increasing focus on environmental sustainability, has led to the study of the promising hydrogen peroxide and kerosene combination but with several critical issues yet to be resolved. Indeed, kinetic mechanisms in the literature that use this propellant couple are composed of a large number of species and reactions, making them unsuitable for CFD simulations, an important tool for performing early design analyses. Therefore, smaller schemes are developed through reduction processes or by combining a simple pyrolysis model with a more or less detailed oxidative mechanism. Some of these models from the literature are compared with a complete one in terms of three combustion parameters: ignition delay time, laminar flame speed and species concentration. These comparisons highlight their limitations and lead to the development of a new "bottom-up" approach. New mechanisms are thus generated by adding reactions, taken from POLIMI_KEROSENE_HT , from zero, along with a modified HyChem fuel-pyrolysis model that display CO as product and CH3 and C2H4 as only hydrocarbons. An optimization of the Arrhenius pre-exponential factor A and of the activation energy Ea is performed to match selected target profiles between the new mechanism and a detailed one. The result is TUNED, a 14 species and 33 reaction scheme which approximate the chosen profiles of the reference model, HC_PKHT , with an overall error of 15.86%. Further improvements are achieved by discarding one or more reactions from the previous fuel-breakdown model generating four additional mechanisms, TUNED−V2, TUNED−V3, TUNED−V4 and TUNED−V5, with the previous defined error, respectively, of 11.71%, 11.68%, 12.83% and 14.76%, each with its own strengths and weaknesses. The one selected as the best in terms of trade-off between the target combustion parameters is TUNED−V4, comprising 14 species and 31 reactions.
GENELETTI, DUCCIO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
La ricerca di propellenti "green", dovuta alla crescente attenzione alla sostenibilità ambientale, ha condotto allo studio della promettente combinazione di kerosene e perossido di idrogeno ma con diverse criticità da risolvere. Infatti, i meccanismi cinetici presenti in letteratura che utilizzano questa coppia di propellenti sono composti da un gran numero di specie e reazioni, rendendoli inadatti alle simulazioni CFD, uno strumento fondamentale per eseguire analisi preliminari di progettazione. Per questo motivo, vengono sviluppati schemi ridotti attraverso processi di riduzione o combinando un semplice modello di pirolisi con un meccanismo ossidativo più o meno dettagliato. Alcuni di questi modelli tratti dalla letteratura sono confrontati con uno dettagliato in termini di tre parametri di combustione: ritardo di accensione, velocità di fiamma laminare e concentrazione delle specie. Questi confronti evidenziano i loro limiti, portando allo sviluppo di un nuovo approccio "bottom-up". Vengono così nuovi meccanismi aggiungendo reazioni, tratte da POLIMI_KEROSENE_HT , da zero, insieme al modello di pirolisi dell’HyChem modificato che presenta CO come prodotto, e CH3 e C2H4 come unici idrocarburi. Viene eseguita un’ottimizzazione del fattore pre-esponenziale di Arrhenius A e dell’energia di attivazione Ea in modo da far coincidere dei profili scelti tra il nuovo meccanismo e quello dettagliato di riferimento. Il risultato è TUNED, uno schema di reazione composto da 14 specie e 33 reazioni che approssima i profili scelti del modello di riferimento, HC_PKHT , con un errore del 15.86%. Ulteriori miglioramenti sono ottenuti scartando una o più reazioni dal precedente modello di pirolisi, generando quattro nuovi meccanismi, TUNED−V2, TUNED−V3, TUNED−V4 e TUNED−V5, che presentano un valore dell’errore sopra definito di, rispettivamente, 11.71%, 11.68%, 12.83% e 14.76%, ognuno con i propri punti di forza e debolezza. Quello selezionato come il migliore in termini di compromesso tra i parametri di combustione scelti è TUNED−V4, composto da 14 specie e 31 reazioni.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/240657