HAN基液体推进剂高压燃烧特性的实验研究与数值模拟

论文摘要

HAN基液体推进剂是一种新型绿色高能液体推进剂,是液体火箭发动机的理想燃料之一,其燃烧特性的优劣直接影响到发动机的工作性能。本文围绕HAN基液体推进剂的高压燃烧特性,开展了实验研究和数值模拟工作,主要研究内容及成果如下：（1）利用流体极性物质热物性参数估算的理论与经验公式,计算了HAN基液体推进剂LP1845、LP1846的热物性参数随温度、压力的变化规律,为HAN基液体推进剂蒸发、燃烧理论的数值模拟工作提供了必要的基础数据。（2）建立了HAN基液体推进剂单滴常压蒸发的简化模型,计算了不同环境温度、液滴尺寸、液滴初温、对流速度条件下LP1846液滴的蒸发特性。计算结果表明：LP1846单滴的蒸发过程可以分为瞬态加热阶段和平衡蒸发阶段。提高环境温度,瞬态加热阶段和平衡蒸发阶段都缩短,平衡温度增大。增大液滴初始直径,瞬态加热阶段和平衡蒸发阶段都延长,但平衡温度没有变化。提高液滴初始温度,瞬态加热时间变短,但对平衡蒸发阶段没有影响,平衡温度保持不变。对流速度越大,瞬态加热时间越短,平均蒸发常数越大,但平衡温度不受影响。（3）建立了HAN基液体推进剂单滴高压蒸发的简化模型,计算了LP1845液滴在高温高压氮气环境中蒸发时滴径、滴温随时间的变化关系。计算结果表明：随着蒸发的进行,液滴半径先增大后减小,且减小时滴径满足D2定律；液滴温度先迅速上升,然后逐渐稳定在一个平衡温度。在环境温度保持不变时,随着环境压力的增大,液滴达到平衡温度的时间增长,而液滴生存时间缩短。（4）采用VOF两相流模型,考虑气液相间传质、表面张力、气相内的组分输运,推导了液滴蒸发时的相间传质源项,建立了HAN基液体推进剂单滴在对流氮气中的蒸发模型,计算了LP1846液滴蒸发过程中液滴及周围流场特性参数的变化规律,成功捕捉了液滴表面的Stefan流和尾部的漩涡特性。（5）考虑液滴表面的气相化学反应,建立了一个适用于HAN基液体推进剂液滴燃烧的简化模型。利用此模型,计算了LP1846单滴在静止大气中燃烧时不同环境温度下的质量燃速和液滴寿命。结果表明,随着环境温度的升高,液滴质量燃烧速率加快,且温度越高,速率增加得越快。液滴寿命随环境温度的增大而减小。通过计算结果与实验数据的对比,验证了此模型的正确性。（6）设计了一种测量HAN基液体推进剂高压线燃速的实验装置,其高压环境通过固体火药燃烧产生,并引入包覆药柱燃烧补偿压降,以维持近似的恒压环境,同时采用自研的离子探针测速技术测定了液体推进剂燃烧时火焰面的传播速度。利用此实验装置,分别测量了HAN基液体推进剂AF-315在29.4～55.0MPa内、LP1846在6-28MPa内的表观线燃速。（7）借助固体推进剂稳态燃烧理论,提出了液体推进剂一维燃烧波结构的概念,建立了HAN基液体推进剂液柱一维稳态燃烧的简化模型,得到了其燃烧速率随压力变化的函数关系式。利用此简化模型,计算了LP1846在6～28MPa压力范围内的燃烧速度,其数值模拟结果与实验结果的最大误差为3.2%,表明这种简化模型是有效的。（8）利用VOF两相数值模拟方法,建立了HAN基液体推进剂高压稳态燃烧的二维模型,计算了AF-315在高压线状燃烧器中燃烧时,温度场、压力场、速度场等随时间的变化规律,成功捕捉了液面在整个燃烧过程中的动态移动图像,得到了AF-315液体推进剂在不同的环境压力下的燃烧速度。通过与实验结果进行对比,验证此法可行,能够用来模拟HAN基液体推进剂的高压燃烧过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 液体推进剂的发展概况
• 1.3 液体推进剂蒸发、燃烧的实验及理论研究概况
• 1.3.1 液体推进剂蒸发、燃烧的实验研究
• 1.3.2 液体推进剂蒸发、燃烧的理论研究
• 1.4 HAN基液体推进剂蒸发、燃烧实验及理论研究概况
• 1.4.1 HAN基液体推进剂蒸发、燃烧的实验研究
• 1.4.2 HAN基液体推进剂蒸发、燃烧的理论研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 HAN基液体推进剂高压热物性参数的估算
• 2.1 HAN基液体推进剂的临界性质
• 2.2 HAN基液体推进剂的热力学性质
• 2.2.1 密度
• 2.2.2 定压比热容
• 2.2.3 饱和蒸气压
• 2.2.4 蒸发潜热和摩尔相变热
• 2.3 HAN基液体推进剂的输运性质
• 2.3.1 粘度
• 2.3.2 表面张力
• 2.3.3 导热系数
• 2.3.4 扩散系数
• 2.4 本章小结
• 3 HAN基液体推进剂液滴蒸发、燃烧的数值模拟
• 3.1 HAN基液体推进剂液滴蒸发的特点
• 3.2 常压下HAN基液体推进剂液滴蒸发的简化模型及数值模拟
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 相关热物性参数的计算
• 3.2.4 计算结果与实验数据的比较
• 3.2.5 模拟结果与分析
• 3.3 高压下HAN基液体推进剂液滴蒸发的简化模型及数值模拟
• 3.3.1 物理模型
• 3.3.2 数学模型
• 3.3.3 相关热物性参数的计算
• 3.3.4 模拟结果与分析
• 3.4 对流条件下HAN基液体推进剂液滴蒸发的CFD模拟
• 3.4.1 物理模型
• 3.4.2 数学模型
• 3.4.3 初始条件和边界条件
• 3.4.4 相关热物性参数的计算
• 3.4.5 用户自定义函数UDF的编写
• 3.4.6 网格的划分及求解参数的设置
• 3.4.7 数值模拟结果与分析
• 3.5 HAN基液体推进剂单滴燃烧的简化模型及数值模拟
• 3.5.1 物理模型
• 3.5.2 化学反应模型
• 3.5.3 数学模型
• 3.5.4 模拟结果与分析
• 3.6 本章小结
• 4 HAN基液体推进剂高压线燃速的实验研究
• 4.1 HAN基液体推进剂燃烧速度的影响因素
• 4.1.1 HAN基液体推进剂的燃烧速度
• 4.1.2 压力对HAN基液体推进剂燃烧速度的影响
• 4.1.3 初温对HAN基液体推进剂燃烧速度的影响
• 4.2 实验装置和工作原理
• 4.3 高恒压环境的两种设计方法
• 4.3.1 高恒压环境的第一种设计方法
• 4.3.2 高恒压环境的第二种设计方法
• 4.4 实验样品
• 4.5 实验结果与讨论
• 4.5.1 HAN基液体推进剂AF-315的实验结果与数据处理
• 4.5.2 HAN基液体推进剂LP1846的实验结果与数据处理
• 4.6 本章小结
• 5 HAN基液体推进剂高压一维稳态燃烧的数值模拟
• 5.1 HAN基液体推进剂的一维燃烧波结构
• 5.2 HAN基液体推进剂高压一维稳态燃烧的简化模型
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 数学模型
• 5.3 计算结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 HAN基液体推进剂高压稳态燃烧的二维CFD模拟
• 6.1 物理模型
• 6.2 控制方程
• 6.3 多相流模型
• 6.4 数值模拟方法
• 6.4.1 网格的生成
• 6.4.2 用户自定义函数UDF
• 6.4.3 两相质量转移速率的确定
• 6.4.4 初始条件和边界条件
• 6.4.5 相关热物性参数的设置
• 6.4.6 求解控制参数的设置
• 6.5 HAN基液体推进剂AF-315高压稳态燃烧的数值模拟
• 6.5.1 HAN基液体推进剂AF-315燃烧时流场参数分布
• 6.5.2 HAN基液体推进剂AF-315燃烧表面的移动过程模拟
• 6.5.3 HAN基液体推进剂AF-315线燃速的理论计算
• 6.5.4 数值模拟与实验结果的对比
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 尚待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录