發(fā)布時間：2020-06-19 12:19

【摘要】：自燃型液體火箭發(fā)動機(jī)無需點火系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈及其他航天器的動力系統(tǒng)。傳統(tǒng)自燃型液體火箭發(fā)動機(jī)燃用MMH(甲基肼),UDMH(不對稱二甲基肼)等肼類燃料,具有高毒性及存儲安全風(fēng)險的特點,因而近年來各航天大國均開展了肼類燃料綠色替代計劃。論文針對新型自燃含能離子液體推進(jìn)劑的液相混合及起燃過程開展起燃過程液相流動及自點火機(jī)理,推進(jìn)劑組合優(yōu)選及對碰射流數(shù)值仿真研究,取得的主要學(xué)術(shù)創(chuàng)新點如下:1)發(fā)現(xiàn)了新的液體自燃推進(jìn)劑點火現(xiàn)象。設(shè)計并搭建了離子液體與氧化劑的自點火實驗研究平臺,實現(xiàn)了不同速度離子液體液滴與氧化劑碰撞自點火過程液面混合的微觀圖像及火焰形貌的宏觀圖像的同步采集。結(jié)果表明不同含能離子液體與氧化劑液相對碰后出現(xiàn)了三種自點火的模式,即碰撞后(a)產(chǎn)生大量飛濺二次液滴的微爆點火模式,(b)形成Leidenfrost層的中間產(chǎn)物氣層點火模式,以及(c)液滴液池聚合后的浸沒點火模式。其中對于某些(c)類型點火模式觀察到的超快庫侖爆炸點火現(xiàn)象,在國際自燃推進(jìn)劑研究領(lǐng)域未有文獻(xiàn)報道;2)優(yōu)選出了兩種具有潛力的綠色含能離子液體。定量獲得了多種不同含能離子液體的點火性能參數(shù),如庫侖爆炸延遲時間、微爆延遲時間、點火延遲時間、火焰面積等。發(fā)現(xiàn)了庫倫爆炸延遲時間與離子液體陽離子側(cè)鏈長度的依賴關(guān)系及陽離子不飽和度對點火延遲時間的影響規(guī)律,闡明了離子液體突破瑞利不穩(wěn)定性極限并實現(xiàn)庫倫爆炸的機(jī)理。評估了離子液體-氧化劑組合的自點火及有無固體產(chǎn)物表現(xiàn),優(yōu)選出兩種性能最佳的推進(jìn)劑組合,有望用于替代傳統(tǒng)高毒性肼類燃料;3)探索了對稱雙股對碰射流混合及破碎過程液膜、液帶及液滴的形成過程。基于Fluent進(jìn)行雙股射流對碰的仿真計算,采用VOF耦合Level Set的方法,計算2ms內(nèi)的瞬態(tài)過程。觀察到液膜、液帶及破碎液滴的形成,發(fā)現(xiàn)當(dāng)碰撞角為80°時,射流霧化效果更好,為后續(xù)實際不對稱物性的自燃離子液體推進(jìn)劑射流對碰實驗和模擬研究提供參考。
【學(xué)位授予單位】：西安交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V511
【圖文】：

.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀1.2.1 自燃液體推進(jìn)劑研究現(xiàn)狀Wang[5]等通過實驗方法研究了 MMH 與硝酸的之間的反應(yīng)，總結(jié)得到兩者的反程如圖 1-1 所示。用高速攝像機(jī)記錄下燃料液體滴落在硝酸液池后的反應(yīng)過程，液相和氣相反應(yīng)區(qū)域布置熱電偶用于記錄反應(yīng)過程中的溫度變化。結(jié)果表明反應(yīng)溫度變化分為以下三個階段：第一階段時溫度由室溫迅速升至沸點，第二階段時從沸點到 280℃相對緩慢地升高，第三階段時溫度從 280℃迅速升溫到火焰溫度。結(jié)合快速掃描傅里葉轉(zhuǎn)換紅外（FTIR）光譜和飛行時間質(zhì)譜（ToFMS）探測在這階段中 MMH 和硝酸之間的氣相中間產(chǎn)物。第一階段涉及液相反應(yīng)，形成離子化硝酸甲基肼（MMH HNO3），以及氧化產(chǎn)物硝酸甲酯（CH3ONO2），甲基疊氮化CH3N3），N2O，H2O 和 N2。第二階段形成氣溶膠云團(tuán)，主要由硝酸甲基肼組成。階段涉及導(dǎo)致點火的快速氣相反應(yīng)，是由硝酸的熱分解引發(fā)的，監(jiān)測到的物質(zhì)包2O，HONO，CH3ONO2，CH3ONO，CH3N3，CH3OH，CH3NH2，CH4，N2O，NO2和少量 HNCO，NH3，HCN 和 CO2。

1 緒論Forness[6]等研究了幾種燃料液滴（MMH，TEDMAZ）與氧化劑液池（WFNA（WFNA），RFNA（RFNA））以不同碰撞速度和碰撞角度接觸后的反應(yīng)過程，以量化液相反應(yīng)并對產(chǎn)生的碰撞結(jié)果進(jìn)行分類，獲得的碰撞結(jié)果如圖 1-2 所示。通過實驗觀察得到了三種不同的碰撞類型：爆炸，彈跳和飛濺，并且發(fā)現(xiàn)碰撞類型取決于韋伯?dāng)?shù)（We）和碰撞角度。飛濺現(xiàn)象發(fā)生在 We>250 時，與碰撞角度無關(guān)。當(dāng) We<250 并且碰撞角度<7°時發(fā)生爆炸，如果碰撞角度>7°，則導(dǎo)致彈跳。同時發(fā)現(xiàn)不同的碰撞形式會導(dǎo)致不同的氣體產(chǎn)生速率和不同程度的霧化效果，這會進(jìn)一步對混合物的點火性能產(chǎn)生影響。實驗首次測量了 MMH 與 RFNA 從接觸到開始產(chǎn)生氣相產(chǎn)物之間的延遲時間為 20~200ms。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 劉昌波;雷凡培;周立新;;兩股湍流射流撞擊霧化過程的數(shù)值研究[J];推進(jìn)技術(shù);2014年12期

2 符全軍;液體推進(jìn)劑的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J];火箭推進(jìn);2004年01期

3 任向紅;肼類燃料與環(huán)境污染[J];內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù);2001年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 丁佳偉;液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流穩(wěn)定性及液膜破碎機(jī)理研究[D];北京交通大學(xué);2017年

2 李明磊;層流液體射流碰撞非融合現(xiàn)象及其臨界特性的研究[D];清華大學(xué);2016年

本文編號：2720781