Development of random packing code for solid propellant microstructure simulation

Composite solid propellants are heterogeneous materials, formed by mixing powders of a salt and metal with a polymeric binder. Despite this explicit heterogeneity, they are often considered isotropic materials, thus all proprieties are averaged in space and assumed constant. However, macroscopic proprieties are strictly dependent on their peculiar microstructure, influencing mechanical, combustion, as well as physical features. Recently, some novel modeling approaches try to include inhomogeneous effects with different formalisms but information on bulk microstructure is needed. This type of data collection could be performed by means of intrusive method, resulting in the destruction of the propellant sample. More expensive procedures include X-ray Computed Tomography, which requires complex post-processing and a specific experimental apparatus. In recent years, packing codes have become a successful cheaper alternative for reproducing propellant microstructures. This work describes the theoretical background as well as the implementation of POLIPack, a packing code based on the Lubachevsky-Stillinger's algorithm, developed at the Space Propulsion Laboratory of Politecnico di Milano during this thesis. The application can pack spheres of any diameters inside a cube with periodic boundary. The code takes advantage of multicore CPU and, with respect to a serial implementation, it reduces the computational time mainly when spheres of very different diameters are packed together. Monomodal and bimodal packs were confronted with experimental data through statistic descriptors showing that POLIPack is able to correctly reproduce real dense arrangement of spheres. Different collision strategies were tested and the dependency of packing fraction from diameter growth rate was also investigated. However our implementation seems pretty insensitive from it. Finally the code was used to simulate real propellant microstructure and to estimate the size of aluminum pockets contained in space propellants. This quantity is correlated to the agglomeration of metal particles at the burning surface which is, in turn, linked to specific impulse losses.

I propellenti solidi utilizzati in campo spaziale sono materiali eterogenei, formati dalla mescola di un sale e una polvere metallica con una matrice polimerica. Nonostante questa eterogeneità intrinseca, vengono spesso considerati a fini pratici come materiali isotropi. Questo porta alla definizione di proprietà medie quali densità, velocità di combustione ed altre proprietà fisiche mediate nello spazio che, tuttavia, sono legate alla microstruttura. Recentemente sono stati proposti modelli che tentano di incorporare, con diversi formalismi, informazioni sull'eterogeneità dei propellenti. Risulta quindi evidente la necessità di avere informazioni sulla loro microstruttura. Questo tipo di dati può essere ottenuto attraverso tecniche distruttive, sezionando il propellente, oppure con costose tomografie ai raggi X. Negli ultimi anni, lo sviluppo di codici per l'impacchettamento ha permesso di ottenere efficacemente e a basso costo modelli della microstruttura di un propellente. In questa tesi si presenterà l'implementazione di un codice di impacchettamento, basato sull'algoritmo di Lubachevsky-Stillinger, sviluppato presso lo Space Propulsion Laboratory del Politecnico di Milano. Il programma, denominato POLIPack, è in grado di impacchettare sfere con diversi diametri all'interno di un dominio cubico. Può inoltre sfruttare l'architettura multicore delle moderne CPU, dimostrando una riduzione dei tempi di calcolo, rispetto alla versione seriale, quando sono presenti particelle con dimensioni molto diverse. Test su pacchetti monomodali e bimodali dimostrano che POLIPack è in grado di ricreare correttamente distribuzioni reali di sfere. Lo studio dell'influenza della velocità di accrescimento dei diametri sulla frazione volumetrica ottenibile ha mostrato che il codice è insensibile a quel parametro. Infine, il programma è stato utilizzato per simulare la microstruttura di propellenti reali per investigare le dimensioni dei pocket, dai quali dipendendo le dimensioni degli agglomerati che causano perdite nell'impulso specifico.