Simulation of a Solid Rocket Exhaust System

Nuno Miguel Pereira da Cruz

Key information

Authors:

Nuno Miguel Pereira da Cruz (Nuno Miguel Pereira da Cruz Rosário)

Supervisors:

Neil Paul Murray (Neil Paul Murray); José Carlos Fernandes Pereira (José Carlos Fernandes Pereira)

Published in

11/21/2012

Abstract

The propellant mix used in solid rocket motors often includes small metallic particles in order to increase the combustion temperature and stability. However, these particles tend to have adverse effects on the gaseous exhaust plume that leaves the rocket into the atmosphere. In this work, those effects have been studied numerically by the commercial code FLUENT®, and an increase in the plume temperature was found, together with a hard deceleration of the exhaust flow allowing characterizing several particle sizes as well as two different types of distribution. These changes in the particles’ properties were found to provide significantly different results. There were also observed several important physical and numerical changes by varying the ambient pressure and temperature (altitude). Several numerical errors were also found due to the presence of a rarefied flow area and possible solutions for the problems found are presented. A mistura utilizada em motores de foguete de combustível sólido incorpora na maioria dos casos, pequenas partículas metálicas com o objetivo de aumentar a temperatura da combustão e a sua estabilidade. Estas partículas têm no entanto alguns efeitos adversos na pluma de gases de escape que sai para a atmosfera. Neste trabalho foram estudados esses efeitos através da simulação numérica e os cálculos foram efetuados através do código comercial FLUENT®. Verifica-se de um modo geral a existência de um grande aumento da temperatura global da pluma bem como uma diminuição da sua velocidade. Esta análise foi uma análise qualitativa que permitiu comparar vários tamanhos de partículas e dois tipos de distribuição das mesmas. Estas variações nas características das partículas produziram resultados diferentes entre elas. Foram também observadas diferenças significativas a nível físico e numérico fazendo variar a pressão atmosférica e a temperatura ambiente (altitude). Os cálculos produziram alguns erros numéricos que foram analisados ao longo do trabalho e foram apresentados futuros desenvolvimentos com soluções para os problemas encontrados.