This report presents the basic design of a rocket engine injector and combustion chamber for saturated nitrous oxide and liquid ethanol, as well as details of the construction and operation of the engine in which the injectors will be used. At ﬁrst, an oxidant-fuel mixture is selected based on a thermochemical analysis that explores several existing options and other combinations that have not yet been studied. As a result, nitrous oxide is chosen as an oxidant and ethanol as fuel. Then a simpliﬁed methodology is proposed for the design of a pressure-swirl injector responsible for ethanol. Computational ﬂuid dynamics is used to verify the validity of the above-mentioned analysis, using Volume of Fluid (VOF). For the nitrous oxide injector, the ﬂash-boiling phenomenon is investigated, verifying its importance for the ongoing project. The eﬀect is treated analytically using the Dyer model to account for non-equilibrium thermodynamics. Simpliﬁed zero-dimensional and one-dimensional combustion models are explored as tools to design the rocket combustion chamber. Furthermore, combustion instability due to acoustic phenomena is studied, with the ﬁrst spinning tangential mode being computed for the herein developed motor and an ensemble of acoustic cavities being developed to suppress the aforementioned mode. Finally, a preliminary diagram of the static test bench which will be used to validate the injectors and the designed engine is also presented. Keywords: Liquid rocket motor. Injector. Pressure-swirl. Flash-Boiling. Ethanol. Nitrous Oxide. Static hot-ﬁre test stand. VOF. Combustion. Instability. Acoustic cavity. RESUMO Este relatório apresenta o projeto básico de um injetor e de uma câmara de combustão de motor de foguete para óxido nitroso saturado e etanol líquido, assim como detalhes da construção e operação do motor no qual o injetor será utilizado. De início, realiza-se a seleção de uma mistura oxidante-combustível baseada em uma análise termoquímica que explora diversas opções já existentes e outras combinações ainda pouco estudadas. Como resultado, opta-se por óxido nitroso como oxidante e etanol como combustível. Então uma metodologia simpliﬁcada é proposta para o projeto de um injetor do tipo pressure-swirl para o etanol. Dinâmica de ﬂuídos computacional é utilizada para veriﬁcar a validade da análise supracitada, empregando o método Volume of Fluid (VOF). Para o injetor de óxido nitroso, o fenômeno de ﬂash-boiling é investigado, veriﬁcando-se sua importância para o projeto em andamento. O efeito é tratado analiticamente pelo modelo de Dyer para levar em conta a termodinâmica fora do equilíbrio. Modelos de combustão zero- dimensional e unidimensional são utilizados como ferramentas para o projeto da câmara de combustão do motor. Ainda é apresentado e discutido o fenômeno de instabilidade de combustão em câmaras de combustão de motores de foguete líquido, com o primeiro modo tangencial de oscilação acústico sendo calculado para o motor desenvolvido e um conjunto de cavidades acústicas sendo proposto para amortecer tal modo. Por ﬁm, apresenta-se também um esquema preliminar da bancada de ensaio estático a ser utilizada para testar os injetores e o motor projetado. Palavras-chave: Motor líquido de foguete. Injetor. Pressure-swirl. Flash-Boiling. Etanol. Óxido Nitroso. Bancada de ensaio estático. VOF. Combustão. Instabilidade. Cavidade acústica. SUMMARY 1 INTRODUCTION 9 2 OBJECTIVES 12 3 LITERATURE REVIEW 13 3.1 Ethanol and nitrous oxide engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Injection patterns and atomization models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Numerical simulation of pressure-swirl injectors . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Nitrous oxide injection system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.5 Combustion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.6 Combustion Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4 ROCKET ENGINE DESIGN 17 4.1 Preliminary Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.2 Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.1.3 Injection System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.2 Propellant Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.3 Engine parameters: N2O, C2H5OH(L) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5 ETHANOL INJECTOR 25 5.1 Pressure-swirl Analytical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.2 Numerical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.2.1 Volume of Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.2.2 Discrete Phase Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3 Analyses and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3.1 Inputs of the Analytical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3.2 Outputs of the Analytical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.3.3 Spray cone half-angle and ﬁlm thickness using VOF . . . . . . . . . 33 5.3.4 Three-dimensional simulations using VOF . . . . . . . . . . . . . . 36 6 NITROUS OXIDE INJECTOR 38 6.1 Non-Homogeneous Non-Equilibrium (NHNE) Analytical Model . . . . . . . 38 6.2 Analyses and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7 COMBUSTION MODELING 41 7.1 Reaction Mechanism and Thermodynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.2 Vaporization-Controlled Plug Flow Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7.3 Varying-Area Plug Flow Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 7.4 Reactor Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8 COMBUSTION INSTABILITY 52 8.1 Acoustic combustion instability mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.2 Acoustic theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.3 Passive control techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.3.1 Baﬄes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.3.2 Acoustic cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.4 Analyses and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9 INJECTOR ASSEMBLY AND TEST STAND DESIGN 69 9.1 Injector Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 9.2 Test Stand Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9.2.1 Main Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9.2.2 Safety Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 9.2.3 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 9.2.4 Experiment Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 10 CONCLUSION 76