Numerical Modeling and Simulations of Combustion Processes in Hybrid Rocket Engines

Nowadays, two are the most intriguing mid-long term challenges for space propulsion technology research and development. The first one is to achieve reliable, safe, flexible, low-cost and possibly mass access to space. The second one is to realize hypersonic aircrafts for goods and passenger transports which are able to cross intercontinental distances in a limited number of hours. Hybrid rockets might be the answer. They conjugate throttleability, precision and safety of liquid-fuelled rockets with design simplicity and low cost of solid-fuelled rockets. However a major drawback in hybrid rocket engines is the low regression rate of traditional fuels. Many physical and chemical strategies are in research, however nowadays research is still mostly experimental. This because the physical phenomena involved in hybrid rocket combustion are very complex and difficult to model: the flow inside the rocket engine is turbulent, multi-species, multiphase and chemically reacting. The development of an accurate and reliable numerical tool could be a relevant contribution to research in this field. In fact this kind of tool can be used to analyze combustion processes in hybrid rockets, in order to get a better understanding of the problem physics. A reliable numerical model capable of predicting performance parameters and behavior of hybrid rockets is of major importance for the design of the next generation of hybrid rocket engines. Such tool can be used as support and guidance for fuel formulation investigation and for engine performance estimation. This work faces this open research problem addressing the issues related to the simulation of such complex and interdependent problems as the ones present in the problem physics. The governing equations of the addressed problem are discussed, with particular attention to the accuracy of the closure models and of the boundary conditions. This work applies a rigorous approach in the modeling of energy equation and in the modeling of closure terms. Chemical models are investigated and implemented in a fully turbulent fashion, using a novel multi-time PaSR approach. In order to focus the work on the combustion modeling description, a modular object-oriented scientific computing environment is used: this is COOLFluID code, developed at von Karman Institute for Fluid Dynamics. Results are presented under an increasing problem complexity philosophy: at first non-reacting testcases are performed in both laminar and turbulent fashion, in order to obtain the base validation of the code, then reacting testcases are analyzed with both simplified and accurate boundary conditions for the fuel inlet, in order to assess fuel regression rate. Effects of turbulent chemistry, oxidizer mass flux and pressure are investigated on both macroscopic flame properties (temperature, geometry, velocity components, reaction products distribution) and regression rate.

Attualmente sono due le più importanti sfide a medio/lungo termine riguardanti la ricerca e sviluppo nel campo della propulsione spaziale. La prima consiste nell’ottenere un accesso di massa allo spazio che sia affidabile, sicuro, operativamente flessibile ed a basso costo. La seconda riguarda la realizzazione di velivoli ipersonici per il trasporto merci e peri il trasporto passeggeri che siano in grado di attraversare distanze intercontinentali in un tempo ridotto. Gli endoreattori ibridi potrebbero essere la risposta a entrambe. Essi uniscono modulabilità della spinta, precisione e sicurezza tipiche di endoreattori a propellente liquidi con semplicità e basso costo degli endoreattori a propellente solido. Il maggiore problema che gli endoreattori ibridi devono ancora affrontare, tuttavia, consiste nella loro bassa velocità di regressione. Molti sforzi di ricerca sono volti a affrontare questa problematica, cercando di unire alta velocità di regressione a buone proprietà meccaniche. Tuttavia la maggior parte della ricerca è ancora sperimentale. Questo perché i fenomeni fisici tipici della combustione in endoreattori ibridi sono complessi e difficili da modellare: il flusso è turbolento, multi-specie, multi-fase e chimicamente reagente. Lo sviluppo di uno strumento numerico accurato ed affidabile potrebbe essere di rilevante importanza alla ricerca in questo campo. Infatti uno strumento del genere potrebbe essere utilizzato per analizzare i processi di combustione negli endoreattori ibridi, al fine di migliorare la comprensione della fisica del problema. Inoltre un modello numerico affidabile potrebbe essere di massima importanza per la progettazione della futura generazione di endoreattori ibridi. Questo, infatti, potrebbe essere usato per supportare e guidare l’investigazione delle formulazioni di combustibile e per stimare le prestazioni propulsive. Questo lavoro di dottorato affronta il problema di ricerca ancora aperto riguardante le problematiche connesse alla simulazione di fenomeni fisici così complessi e interdipendenti. Le equazioni di governo del problema vengono discusse con particolare attenzione all’accuratezza dei modelli di chiusura e delle condizioni al contorno. Questo lavoro applica un approccio rigoroso alla modellazione dell’equazione dell’energia e dei termini di chiusura. Vengono investigati alcuni modelli chimici, implementati in modo completamente turbolento, utilizzando un approccio innovativo di tipo PaSR multi-tempo. Al fine di concentrare gli sforzi di ricerca sulla modellistica di combustione, è stato utilizzato un codice di calcolo scientifico modulare e orientato agli oggetti: il COOLFluiD, sviluppato all’Istituto von Karman per la Fluidodinamica. I risultati vengono presentati secondo una filosofia di incremento della complessità del problema: dapprima si affrontano casi non-reagenti (laminari e turbolenti), al fine di ottenere una validazione di base del codice. Successivamente vengono analizzati casi reagenti, con condizioni al contorno semplificate ed accurate. Viene infine investigato l’effetto della chimica turbolenta, del flusso di massa di ossidante e della pressione sia sulle caratteristiche macroscopiche della fiamma (temperatura, geometria, campo di velocità, distribuzione dei prodotti di reazione) sia sulla velocità di regressione.