Sviluppo di modelli per la cinetica chimica in endoreattori a propellenti liquidi = Development of chemical kinetics models for liquid rocket engines

La simulazione dei processi di combustione negli endoreattori a propellenti liquidi richiede l’impiego di meccanismi di reazione estremamente complessi, caratterizzati da un elevato numero di reazioni e specie chimiche. Questi modelli, pur essendo fondamentali per riprodurre accuratamente il comportamento dei processi combustivi, comportano costi computazionali notevoli, rendendo necessaria l’adozione di tecniche di semplificazione per ottenere modelli predittivi efficienti. La presente tesi si focalizza sul caso metano-ossigeno (CH4-O2) e propone di fornire una base metodologica per imparare a ridurre i meccanismi di reazione, sviluppando tecniche che consentano di identificare e selezionare le reazioni e le specie più rilevanti, eliminando quelle superflue senza compromettere l’accuratezza predittiva negli intervalli operativi di pressione e temperatura scelti. In particolare, il lavoro mira a bilanciare l’accuratezza dei modelli completi con la necessità di ottenere simulazioni computazionalmente più efficienti, idonee a supportare applicazioni pratiche nel campo propulsivo e aerospaziale. In una prima fase, è stata condotta un’ampia indagine bibliografica sulle modalità di semplificazione dei meccanismi di reazione e sulle tecniche di modellizzazione dei processi combustivi negli endoreattori. Tale analisi ha permesso di definire il contesto, identificare le criticità e mettere in luce le principali metodologie presenti in letteratura, quali l’approssimazione quasi-stazionaria, l'approssimazione di equilibrio parziale, l’analisi del flusso di reazione e le tecniche di analisi di sensibilità. Successivamente, il lavoro si è concentrato sull’analisi comparativa di due meccanismi di reazione: il GRI30, ampiamente utilizzato per la combustione del metano, e il meccanismo di Zhukov, studiato per condizioni ad alte pressioni. Attraverso l’implementazione di simulazioni numeriche con il software open source Cantera, è stata utilizzata la tecnica dell'analisi di sensibilità per ridurre i meccanismi in specifiche condizioni operative. Si sono poi confrontati i modelli semplificati con quelli originali analizzando l'effettiva affidabilità predittiva dei modelli ridotti. L’approccio presentato offre un valido supporto per lo sviluppo di modelli predittivi e per la progettazione ottimizzata di sistemi propulsivi, con rilevanti implicazioni per il settore aerospaziale.