Real-fluid thermodynamic closure and high-pressure transport modelling for supercritical injection in aerospace propulsion systems

The development of next-generation aerospace propulsion systems relies heavily on the injection and combustion of propellants at transcritical and supercritical conditions. Under these extreme pressures, the assumption of ideal-gas behaviour breaks down, rendering standard CFD solvers highly inaccurate. To address this limitation, this thesis presents the development and validation of a high-fidelity real-gas Python framework and its porting to the OpenFOAM environment, aimed at accurately coupling non-ideal thermodynamics with fluid dynamics and chemical kinetics. The framework integrates the Peng-Robinson equation of state alongside advanced transport correlations to evaluate dense-fluid departure functions. The predictive capability of the solver was validated through two distinct numerical test cases. First, a 2D supercritical CO2 channel flow simulation confirmed the successful thermo-mechanical coupling of the framework. The solver accurately captured the non-linear physical property gradients near the pseudo-boiling line, reproducing the asymmetric velocity profiles observed in reference DNS data. Second, the thermodynamic-kinetic coupling was assessed via a 0D isobaric batch reactor simulating the hydrogen auto-ignition at 20 MPa. The results exposed a fundamental limitation within standard CFD formulations: a thermodynamic-kinetic decoupling. While the framework successfully predicted the macroscopic real-gas volumetric and thermal properties, the OpenFOAM chemical kinetic engine was found to evaluate the Law of Mass Action using raw geometric concentrations governed locally by linear mass-weighted averaging laws. By failing to incorporate species fugacity coefficients and the non-linear enthalpy of mixing derived from the rigorous Single-Fluid-Mixing rules, the solver missed the early thermal runaway characteristic of true supercritical mixtures. Ultimately, this thesis demonstrates that accurately predicting reacting flows in extreme environments strictly mandates the integration of non-ideal mixing thermodynamics and fugacity-corrected activities directly into the computational kinetic engine.

Lo sviluppo dei sistemi propulsivi aerospaziali di nuova generazione dipende dall'iniezione e combustione di propellenti in condizioni transcritiche e supercritiche. A tali pressioni l'ipotesi di gas ideale decade, rendendo i solver CFD standard altamente inaccurati. Per superare questo limite, la tesi illustra lo sviluppo e la validazione di un framework Python ad alta fedeltà per gas reali, volto ad accoppiare rigorosamente termodinamica non ideale, fluidodinamica e cinetica chimica. L'architettura integra l'equazione di stato di Peng-Robinson e un modello di trasporto avanzato tramite un'interfaccia Python-C++ per valutare le "departure functions" dei fluidi reali. Il solver è stato validato su due test-case. In primo luogo, la simulazione 2D di un flusso di CO2 supercritica all'interno di un canale ha confermato il corretto accoppiamento termo-meccanico: il codice ha colto i gradienti fisici non lineari in corrispondenza della linea di pseudo-ebollizione, riproducendo fedelmente il profilo di velocità asimmetrico dei dati DNS di riferimento. In secondo luogo, l'accoppiamento termodinamico-cinetico è stato valutato simulando un reattore "batch" 0D isobaro per l'autoaccensione dell'idrogeno a 20 MPa. I risultati hanno rivelato un profondo disaccoppiamento termodinamico-cinetico insito nelle formulazioni CFD standard. Pur prevedendo con successo le proprietà termo-volumetriche del gas reale, il motore cinetico di OpenFOAM valuta la Legge di Azione di Massa utilizzando concentrazioni molari puramente volumetriche, governate da regole di miscelazione lineari pesate sulla massa. Trascurando i coefficienti di fugacità e l'entalpia di mescolamento non lineare derivante da rigorose regole Single-Fluid Mixing, il solver fallisce nel prevedere la divergenza termica ("thermal runaway") anticipata dell'autentica miscela supercritica. Questo lavoro dimostra infine che la simulazione accurata di flussi reagenti in condizioni estreme impone l'integrazione della termodinamica di mescolamento non ideale e delle attività corrette con la fugacità direttamente nel motore cinetico computazionale.