Investigation of mechanical and thermo-chemical relaxation effects in gas-solid nozzle flows using the Baer-Nunziato model

This thesis investigates gas-solid aluminum oxide (Al2O3) flows in rocket nozzles using the Baer-Nunziato seven-equation two-phase model imple- mented in the SU2 solver. Simulations examine a converging-diverging nozzle oper- ating under high-pressure and high-temperature conditions, comparing mechanical relaxation only (pressure and velocity relaxation) versus full relaxation (including thermal and Gibbs energy relaxation). Results reveal distinct relaxation hierar- chies: flow variables (Mach number, pressure, volume fraction) show at most 5% sensitivity to thermal and Gibbs relaxations, whereas thermodynamic variables ex- hibit more significant differences between models. This confirms that mechanical relaxation exerts primary control over particle behavior and flow structure, while thermal and Gibbs relaxation provide secondary effects limited to thermal-energy state evolution. Particle diameter investigations (1-30-100 μm) demonstrate sys- tematic trends: large particles exhibit substantial velocity lag and particle-free zone formation, while fine particles achieve near-perfect coupling with spreading distributions. Validation against Lagrangian simulations available in the literature confirms solver accuracy across all regimes.

Questa tesi studia i flussi bifase gas-solido di ossido di alluminio (Al2O3) negli ugelli di razzi utilizzando il modello bifase a sette equazioni di Baer-Nunziato implementato nel solutore SU2. Le simulazioni esaminano un ugello convergente-divergente operante in condizioni di alta pressione e alta temperatura, confrontando solo il rilassamento meccanico (rilassamento di pressione e velocità) con il rilassamento completo (includendo il rilassamento termico e dell’energia di Gibbs). I risultati rivelano gerarchie di rilassamento distinte: le variabili fluidiche (numero di Mach, pressione, frazione volumetrica) mostrano al massimo una sensibilità del 5% al rilassamento termico e di Gibbs, mentre le variabili termodinamiche presentano differenze significative tra i modelli. Ciò conferma che il rilassamento meccanico esercita un controllo primario sul comportamento delle particelle e sulla struttura del flusso, mentre il rilassamento termico e di Gibbs forniscono effetti secondari limitati all’evoluzione dello stato termodinamico. Gli studi sul diametro delle particelle (1-30-100 μm) dimostrano tendenze sistematiche: le particelle grandi presentano un ritardo di velocità sostanziale e la formazione di zone libere da particelle, mentre le particelle fini raggiungono un accoppiamento quasi perfetto con distribuzioni più disperse. La validazione rispetto a simulazioni lagrangiane disponibili in letteratura conferma l’accuratezza del solutore in tutti i regimi.