Fenomeno di entrainment nella propulsione ibrida : studio della variazione del diametro delle goccioline

The low use of hybrid propulsion in the aerospace industry, even considering the great advantages this type of propulsion presents, is due to the low surface regression rate of the solid fuel found in this kind of thrusters. One of the methods discovered to increase this regression rate is the use of solid fuels that give rise to droplet entrainment. The diameter of the droplets has a great influence on the increase of the surface regression rate of the solid fuel caused by the droplet entrainment, therefore justifying the objective of this project, which is the analysis of the effects of the fuel viscosity, thickness of the liquid layer of the fuel, velocity of the oxidizer gas flow, and velocity profile of the oxidizer gas flow on the diameter of the droplets. The necessary data for the analysis were obtained from simulations of the droplet entrainment made with a code developed in this project for the software Gerris Flow Solver. As a result of this analysis, it was observed that the diameter of the droplets: tends to decrease with the increase of the viscosity of the fuel and velocity of the oxidizer gas flow, tends to increase with the increase of the thickness of the liquid layer of the fuel, and varies for different velocity profiles of the oxidizer gas flow. The results obtained can be used as a suitable database for numerical codes focused on modeling the combustion processes in the combustion chambers of hybrid rocket engines.

L’uso limitato della propulsione ibrida nel settore aerospaziale, anche considerando i grandi vantaggi che questo tipo di propulsione presenta, è dovuto alla bassa velocità di regressione della superficie del grano di combustibile solido ottenuta in motori di questo tipo. Uno dei metodi scoperti per aumentare questa velocità di regressione è l’uso di combustibili solidi che danno luogo al fenomeno di entrainment, anche conosciuto come trascinamento di goccioline. Il diametro di queste goccioline ha uma grande influenza nell’aumento della velocità di regressione della superficie del grano di combustibile solido dovuto a questo fenomeno, il che giustifica l’obiettivo di questa tesi di analizzare gli effetti della viscosità del combustibile, dello spessore dello strato liquido di combustibile, della velocità del flusso gassoso di ossidante e del profilo di velocità del flusso gassoso di ossidante sul diametro delle goccioline formate. I dati necessari per fare questa analisi sono stati ottenuti via simulazioni del fenomeno di entrainment fatte con un codice sviluppato in questa tesi sulla piattaforma del programma Gerris Flow Solver. Come risultato di questa analisi è stato osservato che il diametro delle goccioline: tende a diminuire con l’aumento della viscosità del combustibile e della velocità del flusso gassoso di ossidante, tende a aumentare con l’aumento dello spessore dello strato liquido di combustibile, e cambia per diversi profili di velocità del flusso gassoso di ossidante. I risultati ottenuti potranno essere utilmenti impiegati come condizioni al contorno nell’ambito di codici numerici di simulazione dei processi combustione negli endoreattori ibridi.