Riassunto analitico
La Combustione è un processo chimico fondamentale per generare spinta nei moderni motori aerospaziali e aeronautici. Al giorno d’oggi, i sistemi di propulsione basati sul processo di combustione a pressione costante hanno quasi raggiunto la maturità in termini di prestazioni, ormai vicini al limite teorico ammissibile, il quale è molto difficile da incrementare tramite sviluppi e migliorie tecnologiche secondarie legate ai materiali, alla geometria o ad altri mezzi. Per questo motivo, in questa dissertazione sarà presentata la Detonazione e la sua differenza con il processo di combustione deflagrativo con l'obiettivo di evidenziare l’importante vantaggio, in termini di efficienza termica, che tali dispositivi di propulsione per detonazione possono ottenere. Questo surplus si traduce in un significativo aumento di pressione, dovuto al meccanismo di detonazione stesso, che potrà essere propriamente sfruttato in termini di potenza utile.
In questo lavoro, viene fornita una descrizione dettagliata della struttura dell’onda di detonazione, della teoria della detonazione di Chapman-Jouguet (C-J) e un breve confronto con il cosiddetto modello ZND (Zeldovich, Von Neumann e Döring). Inoltre, i principi di funzionamento dei motori nati a partire dal principio detonante, come i Motori a Detonazione Pulsante (PDE) e i Motori a Detonazione Rotante (RDE), vengono qui discussi insieme alla loro possibile implementazione per i futuri propulsori aerospaziali. In particolare, tra i diversi motori prima menzionati, l’RDE appare oggi come un candidato promettente grazie alla sua elevata efficienza termica, ampia gamma operativa ai diversi numeri di Mach, breve tempo di combustione e, di conseguenza, elevata compattezza. Ciò richiede la comprensione dei fondamenti della dinamica della detonazione che risulteranno rilevanti per l’RDE.
Infine, vengono riportati gli esiti di alcuni studi sperimentali e numerici, condotti presso diversi laboratori, il cui focus si basa sulla comprensione dei processi fondamentali della chimica e della fisica nei motori a detonazione.
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Abstract
Combustion is an essential process for generating propulsion for most existing modern classical engines. Propulsion system based on the constant-pressure combustion process have almost reached maturity in terms of performance, close to its theoretical limit, which is very difficult to increase by minor technological improvements related to material, geometry or other means. For this reason, the detonative combustion and its difference with deflagration combustion process is presented in this dissertation with the aim of highlighting the significant advantage in thermal efficiency that such detonative propulsion devices can achieve, which results in a significant pressure increase due to detonation mechanism.
In this work, detailed description of detonation wave structure, Chapman-Jouguet (C-J) theory of detonation and a brief comparison with the so called ZND model (Zeldovich, Von Neumann and Döring) are given. Moreover, engines’ operating principles based on the Detonation, such as Pulse Detonation Engines (PDE) and Rotating Detonation Engines (RDE) are discussed as well as their possible concept implementation for aerospace future thrusters. In fact, several design of detonation engines mentioned above are currently under examination in order to find out possible solutions for improving thermodynamic cycle through detonation process. In particular, the RDE appears today as a promising candidate due to its high thermal efficiency, wide operating Mach range, short combustion time and, thus, high compactness. This requires understanding the fundamentals of detonation dynamics relevant to the RDE and the interrelated optimizations of the device components.
At the end, the understanding of the fundamental chemistry and physics processes in detonation engines via experimental and numerical studies, carried out at different laboratories, are reported.
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