HAN基液體推進(jìn)劑高壓燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、RAN基液體推進(jìn)劑是一種新型綠色高能液體推進(jìn)劑，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料之一，其燃燒特性的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。本文圍繞HAN基液體推進(jìn)劑的高壓燃燒特性，開展了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬工作，主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　 (1)利用流體極性物質(zhì)熱物性參數(shù)估算的理論與經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了HAN基液體推進(jìn)劑LP1845、LP1846的熱物性參數(shù)隨溫度、壓力的變化規(guī)律，為HAN基液體推進(jìn)劑蒸發(fā)、燃燒理論的數(shù)值模擬工作提供了必要的基礎(chǔ)

2、數(shù)據(jù)。
　　 (2)建立了HAN基液體推進(jìn)劑單滴常壓蒸發(fā)的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算了不同環(huán)境溫度、液滴尺寸、液滴初溫、對(duì)流速度條件下LP1846液滴的蒸發(fā)特性。計(jì)算結(jié)果表明:LP1846單滴的蒸發(fā)過程可以分為瞬態(tài)加熱階段和平衡蒸發(fā)階段。提高環(huán)境溫度，瞬態(tài)加熱階段和平衡蒸發(fā)階段都縮短，平衡溫度增大。增大液滴初始直徑，瞬態(tài)加熱階段和平衡蒸發(fā)階段都延長(zhǎng)，但平衡溫度沒有變化。提高液滴初始溫度，瞬態(tài)加熱時(shí)間變短，但對(duì)平衡蒸發(fā)階段沒有影響，平衡溫度保

3、持不變。對(duì)流速度越大，瞬態(tài)加熱時(shí)間越短，平均蒸發(fā)常數(shù)越大，但平衡溫度不受影響。
　　 (3)建立了HAN基液體推進(jìn)劑單滴高壓蒸發(fā)的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算了LP1845液滴在高溫高壓氮?dú)猸h(huán)境中蒸發(fā)時(shí)滴徑、滴溫隨時(shí)間的變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液滴半徑先增大后減小，且減小時(shí)滴徑滿足D2定律;液滴溫度先迅速上升，然后逐漸穩(wěn)定在一個(gè)平衡溫度。在環(huán)境溫度保持不變時(shí)，隨著環(huán)境壓力的增大，液滴達(dá)到平衡溫度的時(shí)間增長(zhǎng)，而液滴生存時(shí)間縮短。

4、
　　 (4)采用VOF兩相流模型，考慮氣液相間傳質(zhì)、表面張力、氣相內(nèi)的組分輸運(yùn)，推導(dǎo)了液滴蒸發(fā)時(shí)的相間傳質(zhì)源項(xiàng)，建立了HAN基液體推進(jìn)劑單滴在對(duì)流氮?dú)庵械恼舭l(fā)模型，計(jì)算了LP1846液滴蒸發(fā)過程中液滴及周圍流場(chǎng)特性參數(shù)的變化規(guī)律，成功捕捉了液滴表面的Stefan流和尾部的漩渦特性。
　　 (5)考慮液滴表面的氣相化學(xué)反應(yīng)，建立了一個(gè)適用于HAN基液體推進(jìn)劑液滴燃燒的簡(jiǎn)化模型。利用此模型，計(jì)算了LP1846單滴在靜止大氣

5、中燃燒時(shí)不同環(huán)境溫度下的質(zhì)量燃速和液滴壽命。結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的升高，液滴質(zhì)量燃燒速率加快，且溫度越高，速率增加得越快。液滴壽命隨環(huán)境溫度的增大而減小。通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了此模型的正確性。
　　 (6)設(shè)計(jì)了一種測(cè)量HAN基液體推進(jìn)劑高壓線燃速的實(shí)驗(yàn)裝置，其高壓環(huán)境通過固體火藥燃燒產(chǎn)生，并引入包覆藥柱燃燒補(bǔ)償壓降，以維持近似的恒壓環(huán)境，同時(shí)采用自研的離子探針測(cè)速技術(shù)測(cè)定了液體推進(jìn)劑燃燒時(shí)火焰面的傳播速度。利用

6、此實(shí)驗(yàn)裝置，分別測(cè)量了HAN基液體推進(jìn)劑AF-315在29.4～55.0 MPa內(nèi)、LP1846在6～28 MPa內(nèi)的表觀線燃速。
　　 (7)借助固體推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒理論，提出了液體推進(jìn)劑一維燃燒波結(jié)構(gòu)的概念，建立了HAN基液體推進(jìn)劑液柱一維穩(wěn)態(tài)燃燒的簡(jiǎn)化模型，得到了其燃燒速率隨壓力變化的函數(shù)關(guān)系式。利用此簡(jiǎn)化模型，計(jì)算了LP1846在6～28 MPa壓力范圍內(nèi)的燃燒速度，其數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為3.2％，表明這種簡(jiǎn)