Modelling of Transverse High Frequency Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines

L’instabilità di combustione è sempre stata di fondamentale importanza nell’ambito della produzione di motori a propellente liquido: dato l’impatto significativo sul funzionamento del motore e del sistema lanciatore, è incentivata la ricerca sulla comprensione di questo fenomeno. Vi è un interesse industriale tanto per gli studi sperimentali, al fine di ridurre i test su scala reale e i relativi costi, quanto per la modellizzazione numerica, per limitare costo e tempo computazionale delle simulazioni e per disporre di un tool veloce e affidabile nella previsione della stabilità nei motori a propellente liquido. Lo studio si articola in due fasi: un’indagine in letteratura circa lo stato dell’arte e lo sviluppo di un software predittivo con focus sull’instabilità trasversale ad alta frequenza, potenzialmente la più critica. Si esamina dapprima la sua origine, ossia l’accoppiamento tra la combustione e la fluidodinamica del sistema: a tal proposito, sia la camera che gli iniettori rivestono un ruolo primario. Si esplora il contesto teorico: definizione e classificazione, cenni alla teoria dell’acustica, nonché ai metodi per la sua rilevazione ed osservazione, ad esempio, tramite camere di test sub-scale opportunamente strumentate. Infine, un’attenta ricerca sui metodi numerici favorisce la scelta del modello di riferimento. La seconda parte è incentrata su un solutore di Helmholtz per il campo acustico e di un modello semplificato per il flusso stazionario, implementato in Python. Per la sua validazione è considerato un test case esemplare: le suddette nozioni teoriche si riflettono nel calcolo delle frequenze dei modi risonanti e nella visualizzazione delle forme in cui le fluttuazioni sono organizzate. Inoltre, si può valutare l’impatto tanto delle condizioni operative quanto della posizione e dell’acustica di fiamma sulle soluzioni dello stato stazionario e del campo acustico. Si coglie il comportamento sperimentale e la fisica dei fenomeni coinvolti, si effettua una valutazione dell’energia acustica associata e si sviluppa un tool di identificazione numerica delle forme dei modi risonanti. Ne conseguono risultati significativi in termini di errore relativo, entro il 5%, e di una rapida valutazione del comportamento acustico con corretta previsione del campo di stabilità. Considerato l'esito positivo dei risultati, questa tesi fornisce utili spunti per la comprensione dell'instabilità della combustione ed un importante contributo alla ricerca in questo campo.