Numerical gasdynamic model of a hybrid rocket solid fuel combustion chamber

The present work is the result of a collaboration with Prof. Bondarchuk Sergey from the Tomsk State University. The object of this thesis is the improvement of a numerical model which represents the dynamic evolution of gas properties inside the combustion chamber of a hybrid rocket. The model has to be adaptable to several existing hybrid engines by turning a small set of input parameters with regard to geometry, oxidiser and fuel property. The model has been implemented in Delphi 7 computing languages and is based on the Godunov's numerical method of solution. The numerical model has been validated comparing the simulation results with simple reference data rst and available experimental data then. The proposed software, and methodological support package, allow to develop e cient (with maximum thrust parameters) designs of hybrid rocket engines (HREs), regarding the basic feature of the combustion process. The software package can be used as method of solving inverse problems to identify a basic patterns of intrachamber processes of HREs as well as identify the burning rate law basing on experimental data. After the acquisition of the basic knowledge regarding the physics and the modelling of the problem under investigation, the program writing started from an existing code written for solid propulsion. Such program has been rewritten to deeply understand its working and then has been modi ed and adapted to solve the gasdynamic in the combustion chamber of a hybrid engine. While working di erent tests has been performed in order to verify the model and to correct wrong behaviours. II

Il presente lavoro e il risultato di una collaborazione con il Prof. Bondarchuk Sergey dell'Universit a Statale di Tomsk, Russia. L'oggetto della tesi e lo sviluppo di un modello numerico che rappresenti l'evoluzione dinamica delle propriet a del gas nella camera di combustione di un motore ibrido. Il modello elaborato deve essere di tipo generico e adattabile alla disparata casistica di motori ibridi esistenti. Il programma riceve in input parametri geometrici e propriet a caratteristiche di ossidante e combustibile. Il Modello e stato implementato nel linguaggio di programmazione Delphi 7 e si basa sullo schema numerico risolutivo elaborato da Godunov. I risultati ottenuti dal modello numerico sono stati confrontati con risultati analitici di casi semplici e con risultati sperimentali. Il software e i pacchetti di supporto integrati, hanno l'obiettivo di fornire un supporto per un progetto e ciente di propulsore ibrido, sin dalla fase preliminare di sviluppo. Lo stesso programma pu o essere utilizzato per risolvere problemi inversi, identi - cando, da dati sperimentali, i processi che avvengono nella camera di combustione di un motore ibrido, cos come la legge di regressione del grano solido. La storia della propulsione spaziale russa e tipicamente legata a endoreattori solidi e liquidi, quindi la recente ripresa della ricerca nel campo della propulsione ibrida la rende di estremo interesse. Ci o che muove il ripreso interesse verso i propellenti ibridi e la possibilit a di ottenere livelli molto competitivi di sicurezza e costi. Dopo aver acquisito le conoscenze di base riguardanti la sica e la modellazione numerica del problema in analisi, si e iniziato a scrivere il programma a partire da un codice preesistente scritto per la propulsione solida. Il cuore del programma, che e costituito dalla soluzione del problema di Riemann, e stato riscritto per intero, cos come la procedura per risolvere la gasdinamica in camera di combustione con lo schema di Godunov. Alcune parti del programma precedentemente scritto per risolvere lo stesso problema in motori solidi, sono state copiate per intero essendo valide anche per il caso ibrido in esame. Altre sono state modi cate, e altre ancora aggiunte per ultimare il processo di adattamento. Durante l'avanzamento di tale processo sono state eseguite diverse veri che, soprattutto con il confronto di casi analitici semplici facilmente risolvibili, e correzioni in caso di comportamenti e andamenti anomali. Il programma e stato suddiviso in blocchi sotto forma di procedure indipendenti o semi-indipendenti, allo scopo di agevolarne l'interpretazione e facilitarne ulteriori sviluppi. I requisiti del programma richiedono che esso sia scritto in modo da essere facilmente tradotto in un altro linguaggio di programmazione, con la prospettiva di una futura parallelizzazione dello stesso.