Advanced Fluid Dynamic Codes for Propellant Behavior, Injection and Combustion Simulation in Hybrid Rockets

This work focuses on two main topics: the study of a sponge Propellant Management Device (PMD) and of hybrid rockets internal fluid dynamics. The aim is to implement and use CFD codes describing some vital aspects for hybrid rockets, such as propellant dynamics and internal ballistics. In fluid dynamics, PMD behavior cannot be simulated with standard tools, because a very specific physics needs to be represented concerning capillarity, contact angle, sloshing, bubble point and multiphase fluid dynamics: it is necessary to develop a tool on purpose. The CFD software developed is 3D, can work in transient conditions and is based on OpenFOAM. It can handle bubble point, sloshing, interface transport between two fluid phases and the pressure drop due to a screen in the fluid domain. CFD codes have been tested to analyze their capabilities in terms of simulating rockets fluid dynamics. Test beds and experiments have been used to retrieve the data used for codes validation. The objective of these studies for internal fluid dynamics characterization is to prove that CFD is a powerful design tool, able to reduce the costs connected with experiments and manufacturing. Pressure, characteristic velocity and efficiency are compared between CFD and experiments, to prove that the software can predict the most performing configurations

Questo lavoro si concentra su due temi principali: lo studio di un PMD di tipo sponge e della fluidodinamica interna dei razzi ibridi. L'obiettivo è implementare e utilizzare codici CFD che descrivono alcuni aspetti vitali per i razzi ibridi, come ad esempio la dinamica del propellente e la balistica interna. Il comportamento fluidodinamico di un PMD non può essere simulato con strumenti standard, perché devono essere rappresentati molti complessi aspetti della fisica, come la capillarità, l'angolo di contatto, lo sloshing, il bubble point e la fluidodinamica multifase: è necessario quindi sviluppare uno strumento ad hoc. Il software CFD implementato è 3D, lavora in condizioni transitorie e si basa su OpenFOAM. Esso gestisce il bubble point, lo sloshing, il trasporto dell'interfaccia tra due fasi fluide e la perdita di carico dovuta ad una griglia di tipo screen all'interno del dominio fluido. Codici CFD sono stati testati per analizzarne le capacità in termini di simulazione fluidodinamica di razzi ibridi. Banchi di prova ed esperimenti sono stati utilizzati per ottenere i dati per la validazione dei codici. L'obiettivo di questi studi per la caratterizzazione della fluidodinamica interna è dimostrare che il CFD è uno strumento di progettazione potente, in grado di ridurre i costi connessi ad esperimenti e produzione dei componenti. Pressione, velocità ed efficienza vengono comparate tra CFD ed esperimenti, per dimostrare che il software è in grado di prevedere le congurazioni geometriche più performanti