ANALISI NUMERICA DELLE PRESTAZIONI DELLA CAMERA DI COMBUSTIONE DI UN MOTORE SCRAMJET

In the current landscape of aerospace propulsion, the development of hydrogen Scramjet engines represents an enabling technology for hypersonic flight and advanced space access. The thermofluid-dynamic design of such engines relies heavily on computational fluid dynamics (CFD), whose accuracy is nevertheless challenged by the extreme reactivity of the fuel and the complex interaction between shock waves and turbulent flows. This thesis work addresses the numerical modeling of a Scramjet combustion chamber equipped with a strut injector, establishing the optimization of the computational domain as a fundamental prerequisite. Through a rigorous calibration of the grid topology, the intrinsic numerical dissipation of the solvers was minimized, ensuring the proper aerodynamic resolution of the injection and separation zones without polluting the flow field with mathematical artifacts. The establishment of this solid numerical foundation made it possible to highly reliably explore the crucial fluid-dynamic phases of the propulsive cycle: the evaluation of hydrogen mixing efficiency and the analysis of the impact of different combustion models on overall engine performance. The study practically demonstrates how the optimization of the computational setup is an indispensable phase for faithfully isolating and predicting pressure gradients and heat release, thereby supporting the predictive design of future hypersonic engines.

Nel panorama attuale della propulsione aerospaziale, lo sviluppo dei motori Scramjet a idrogeno rappresenta una tecnologia abilitante per il volo ipersonico e l'accesso avanzato allo spazio. La progettazione termofluidodinamica di tali motori si affida fortemente alla fluidodinamica computazionale (CFD), la cui accuratezza è tuttavia messa alla prova dall'estrema reattività del combustibile e dalla complessa interazione tra onde d'urto e flussi turbolenti. Questo lavoro di tesi affronta la modellazione numerica di una camera di combustione Scramjet equipaggiata con iniettore strut, ponendo come prerequisito fondamentale l'ottimizzazione del dominio computazionale. Attraverso una rigorosa calibrazione della topologia di griglia, è stata minimizzata la dissipazione numerica intrinseca dei solutori, garantendo la corretta risoluzione aerodinamica delle zone di iniezione e di distacco senza inquinare il campo di moto con artefatti matematici. La costruzione di questa solida base numerica ha reso possibile esplorare con elevata affidabilità le fasi fluidodinamiche cruciali del ciclo propulsivo: la valutazione dell'efficienza di miscelamento dell'idrogeno e l'analisi dell'impatto dei diversi modelli di combustione sulle prestazioni globali del motore. Lo studio dimostra operativamente come l'ottimizzazione del setup computazionale sia una fase imprescindibile per isolare e prevedere fedelmente i gradienti di pressione e il rilascio termico, supportando così il design predittivo dei futuri propulsori ipersonici.