Numerical analysis of hybrid rocket combustion

Hybrid rocket combustion is an important matter of study to undestrand the behavior of the rocket performances. The solid fuel regression rate is one of the most important parameter one want to predict for the hybrid rocket design. In the past years, experimental and analytical investigations have been conducted in order to find correlations to predict correctly the regression rate. Numerical computations are becoming more and more important in the estimation of the characteristic parameters of such a complex combustion which embraces many different phenomena, such as fluid-dynamics, chemical kinetics, turbulence-chemistry interaction, radiation and pyrolysis. The aim of this study is to predict the regression rate of the HTPB/GOX formulation and its sensitivities to some operating parameters, such as combustion chamber pressure, oxygen inlet temperature and mass flow rate and non-physical parameters, e.g. combustion chamber diameter and length. The analysis is conducted realizing an analytical model that take into account all the different phenomena; then, it is numerically solved through a finite volume approach exploiting OpenFOAM. In particular, the fluid flow is solved through RANS and the turbulence problem is closed with the k-epsilon model or with a turbulence model based on mixture fraction fluctuations. The chemical kinetics is solved with a six-reactions scheme, which is coupled with the turbulence with a modified version of the PaSR model. Regression rate is computed through complex relations based on continuity and thermal imbalance at the fluid-solid interface. The analysis of the many available variables is used to explain the experimentally observed regression rate behavior. Particular emphasis is given to the effect of the oxygen between the flame and the surface which is considered responsible for the pyrolysis process enhancement. Contrasting results have been found about this observation, above all for the pressure sensivity.

I fenomeni legati alla combustione hanno una grande importanza nella determinazione delle prestazioni di un motore a propellente ibrido. La velocità di regressione del grano propellente è un parametro importante in tal senso. In passato, una grande attività di ricerca, sia sperimentale che analitica, è stata condotta al fine di ottenere delle correlazioni che permettessero la predizione della velocità di regressione. Recetentemente, l'approccio numerico si sta rivelando un potente mezzo nella stima dei parametri caratteristici di complessi processi di combustione quale quello esaminato; esso coinvolge: fluido-dinamica, cinetica chimica, interazione tra turbolenza e chimica, radiazione termica e pirolisi del grano. Lo scopo di questo lavoro è studiare la formulazione HTPB/GOX e particolare attenzione viene posta alla determinazione della velocità di regressione e alla sua sensibilità rispetto ad alcuni parametri come: pressione in camera di combustione, temperatura di ingresso in camera dell'ossigeno, portata di ossidante, ma anche ad alcuni parametri non-fisici quali le dimensioni geometriche della camera stessa. Il problema viene trattato definendo un modello analitico dei maggior fenomeni; questo viene poi risolto numericamente attraverso un approccio ai volumi finiti sfruttando le potenzialità di OpenFOAM. In particolare, la corrente turbolenta viene risolta con il metodo RANS, il quale viene chiuso con il modello di turbolenza k-epsilon o con un modello basato sulle fluttuazioni della frazione di miscela. La cinetica chimica è risolta con uno schema a sei reazioni, che viene accoppiato alla turbolenza attraverso una versione modificata del modello PaSR. La velocità di regressione viene calcolata risolvendo delle relazioni che tengono conto della continuità e del bilancio termico all'interfaccia tra fluido e solido. L'analisi di alcune proprietà della combustione può essere usate per spiegare il comportamento della velocità di regressione sperimentalmente osservato, con un occhio di riguardo al possibile effetto dell'ossigeno sotto la fiamma che è considerato essere uno dei fattori responsabili della maggior efficienza del processo di pirolisi del grano. I risultati ottenuti sono contrastanti, in quanto una chiara dipendenza da questo parametro non è stata evidenziata, soprattutto per il caso di variabilità della pressione.