The renewed interest to hybrid rocket propulsion drives the research activities related to this subject area to study, prediction and characterization of high-performance systems. The challenges of space tourism and the early successes achieved in this area confirm that the hybrid technology makes a very good compromise for the propulsion system in order of safety, versatility and performance. Still remane unsolved the problem of scalability of the results obtained in laboratory scale and problems related to the transient combustion associated with the thrust adjustment, to the phases of shutdown and restart of the engine. An accurate numerical modeling of these phenomena could generate a strong acceleration towards the full understanding of these issues, providing guidance to be used as guidelines for experimental investigations. In this thesis work is presented the process that led to the validation of the software HybridFOAM developed at the SPLab (Space Propulsion Laboratory) of the Politecnico di Milano, as a tool for predicting the transient behavior of the combustion processes in hybrid rocket motors. The code solves the combustion process, which develops in the boundary layer over the grain fuel, through a series of appropriate sub-models for simulation of the phenomena of chemical kinetics, turbulence, radiation, pyrolysis of the solid grain fuel, heat exchange to the surface between the gaseous and condensed phases. The numerical approach developed, investigated in the present work, allows to overcome some limitations in the relevant literature, allowing to predict behaviors and trends representative of physical reality.

Il rinnovato interesse internazionale volto in anni recenti alla propulsione a razzo di tipo ibrido spinge le attività di ricerca correlate a questo settore disciplinare allo studio, predizione e caratterizzazione di sistemi ad alte prestazioni. Le prospettive del turismo spaziale e i primi successi conseguiti in questo ambito confermano come la tecnologia ibrida costituisca un ottimo compromesso per il sistema propulsivo tra sicurezza, versatilità di utilizzo e prestazioni. Restano tutt'oggi irrisolti il problema della scalabilità dei risultati ottenuti in scala di laboratorio e i problemi legati ai transitori di combustione associati alla regolazione della spinta, alle fasi di spegnimento e riaccensione del motore, all’iniezione dell’ossidante. Una accurata modellazione numerica di tali fenomeni potrebbe generare una forte accelerazione verso la piena comprensione di tali problematiche, fornendo indicazioni da impiegare quali linee guida per indagini sperimentali. In questo lavoro di tesi viene presentato il processo che ha portato alla validazione del codice di calcolo HybridFOAM realizzato presso SPLab (Space Propulsion Laboratory) del Politecnico di Milano, come strumento per la previsione del comportamento transitorio dei processi di combustione in endoreattori ibridi. Il codice risolve il processo di combustione, che si sviluppa nello strato limite sovrastante il grano combustibile, attraverso una serie di opportuni sotto-modelli per la simulazione dei fenomeni di cinetica chimica, turbolenza, radiazione, pirolisi del grano solido combustile, scambio termico alla superficie tra le fasi condensata e gassosa. L'approccio numerico sviluppato, estensivamente indagato nel presente lavoro di tesi, permette di superare alcuni limiti presenti nella competente letteratura, permettendo di predire comportamenti e tendenze più rappresentative della realtà fisica.

Simulazione numerica di processi di combustione in endoreattori ibridi durante il transitorio di regolazione del motore

SPOTO, CALOGERO
2012/2013

Abstract

The renewed interest to hybrid rocket propulsion drives the research activities related to this subject area to study, prediction and characterization of high-performance systems. The challenges of space tourism and the early successes achieved in this area confirm that the hybrid technology makes a very good compromise for the propulsion system in order of safety, versatility and performance. Still remane unsolved the problem of scalability of the results obtained in laboratory scale and problems related to the transient combustion associated with the thrust adjustment, to the phases of shutdown and restart of the engine. An accurate numerical modeling of these phenomena could generate a strong acceleration towards the full understanding of these issues, providing guidance to be used as guidelines for experimental investigations. In this thesis work is presented the process that led to the validation of the software HybridFOAM developed at the SPLab (Space Propulsion Laboratory) of the Politecnico di Milano, as a tool for predicting the transient behavior of the combustion processes in hybrid rocket motors. The code solves the combustion process, which develops in the boundary layer over the grain fuel, through a series of appropriate sub-models for simulation of the phenomena of chemical kinetics, turbulence, radiation, pyrolysis of the solid grain fuel, heat exchange to the surface between the gaseous and condensed phases. The numerical approach developed, investigated in the present work, allows to overcome some limitations in the relevant literature, allowing to predict behaviors and trends representative of physical reality.
MAGGI, FILIPPO
ING IV - Scuola di Ingegneria Industriale
23-apr-2013
2012/2013
Il rinnovato interesse internazionale volto in anni recenti alla propulsione a razzo di tipo ibrido spinge le attività di ricerca correlate a questo settore disciplinare allo studio, predizione e caratterizzazione di sistemi ad alte prestazioni. Le prospettive del turismo spaziale e i primi successi conseguiti in questo ambito confermano come la tecnologia ibrida costituisca un ottimo compromesso per il sistema propulsivo tra sicurezza, versatilità di utilizzo e prestazioni. Restano tutt'oggi irrisolti il problema della scalabilità dei risultati ottenuti in scala di laboratorio e i problemi legati ai transitori di combustione associati alla regolazione della spinta, alle fasi di spegnimento e riaccensione del motore, all’iniezione dell’ossidante. Una accurata modellazione numerica di tali fenomeni potrebbe generare una forte accelerazione verso la piena comprensione di tali problematiche, fornendo indicazioni da impiegare quali linee guida per indagini sperimentali. In questo lavoro di tesi viene presentato il processo che ha portato alla validazione del codice di calcolo HybridFOAM realizzato presso SPLab (Space Propulsion Laboratory) del Politecnico di Milano, come strumento per la previsione del comportamento transitorio dei processi di combustione in endoreattori ibridi. Il codice risolve il processo di combustione, che si sviluppa nello strato limite sovrastante il grano combustibile, attraverso una serie di opportuni sotto-modelli per la simulazione dei fenomeni di cinetica chimica, turbolenza, radiazione, pirolisi del grano solido combustile, scambio termico alla superficie tra le fasi condensata e gassosa. L'approccio numerico sviluppato, estensivamente indagato nel presente lavoro di tesi, permette di superare alcuni limiti presenti nella competente letteratura, permettendo di predire comportamenti e tendenze più rappresentative della realtà fisica.
Tesi di laurea Magistrale
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