考慮熱彌散效應(yīng)的ADN基無(wú)毒空間推力器內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬

張　濤，李國(guó)岫，陳　君,，虞育松，王　夢(mèng)

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044; 2. 北京控制工程研究所，北京100190)

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考慮熱彌散效應(yīng)的ADN基無(wú)毒空間推力器內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬

張濤1，李國(guó)岫1，陳君1,2，虞育松1，王夢(mèng)2

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044; 2. 北京控制工程研究所，北京100190)

摘要：以新型二硝酰胺銨(ADN)基無(wú)毒空間推力器為研究對(duì)象，通過(guò)建立ADN推進(jìn)劑撞網(wǎng)霧化、蒸發(fā)以及固定床內(nèi)部考慮熱彌散效應(yīng)的非等溫模型等，采用22種組分、20步反應(yīng)的簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)ADN推力器內(nèi)部復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并獲得熱彌散對(duì)ADN推力器性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。催化床的熱彌散效應(yīng)對(duì)ADN推進(jìn)劑的催化和燃燒過(guò)程中溫度，以及反應(yīng)物和重要中間產(chǎn)物的空間分布有著重要的影響，當(dāng)考慮熱彌散效應(yīng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度較高。

關(guān)鍵詞：熱彌散效應(yīng)；二硝酰胺銨；ADN; 推力器；催化床；數(shù)值模擬

引言

二硝酰胺銨(ADN)是一種無(wú)毒且具有較高比沖和密度比沖的綠色推進(jìn)劑[1-2]，被認(rèn)為是在小衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)上最有應(yīng)用前景的推進(jìn)劑。Anklo等[3]以兩個(gè)可提供1N推力的高性能綠色推進(jìn)系統(tǒng)(HPGP)為研究對(duì)象，對(duì)該推進(jìn)系統(tǒng)的點(diǎn)火反應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)性能及脈沖性能等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明其具有點(diǎn)火快、能量高、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。2010年瑞典成功通過(guò)棱鏡衛(wèi)星進(jìn)行了演示策略和編隊(duì)飛行的技術(shù)驗(yàn)證[4]，進(jìn)一步驗(yàn)證了1N推力的HPGP具有較好的性能。美國(guó)等國(guó)家也相繼針對(duì)5、22、50、200、220N等型號(hào)HPGP進(jìn)行了研究。北京控制工程研究所[6-7]針對(duì)新型無(wú)毒ADN基空間推進(jìn)劑成功開(kāi)展了不同型號(hào)推力器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究；同時(shí)，北京交通大學(xué)等[8-9]也開(kāi)展了推力器內(nèi)催化分解和燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究。

本研究以ADN推力器為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算軟件FLUENT，通過(guò)建立ADN推進(jìn)劑霧化、催化床流動(dòng)阻力模型，同時(shí)通過(guò)用戶自定義函數(shù)建立熱彌散效應(yīng)催化床非等溫模型，對(duì)ADN推力器催化分解和燃燒過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，以期為后續(xù)推力器的設(shè)計(jì)和制造提供參考。

1模型建立

ADN推力器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　ADN推力器內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of sturcture of ADN thruster

將ADN推力器內(nèi)催化分解和燃燒過(guò)程進(jìn)行分區(qū)：液態(tài)ADN霧化和流動(dòng)區(qū)、液霧加熱和蒸發(fā)區(qū)、多孔介質(zhì)內(nèi)的ADN氣液兩相流動(dòng)、氣態(tài)ADN催化分解區(qū)、燃燒區(qū)和燃燒后區(qū)。以ADN為基的單組元推進(jìn)器由催化床、燃燒室和噴管3部分組成，以ADN為基的三元混合物由圓柱射流采用射流撞網(wǎng)破碎后，進(jìn)入催化床內(nèi)進(jìn)行催化分解，之后在燃燒室中進(jìn)一步混合燃燒，最終將獲得的高溫高壓氣體經(jīng)由噴管噴出產(chǎn)生推力。燃料入口流量為0.48g/s，催化床預(yù)熱溫度為300℃，壁面絕熱，混合物的摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比分別為ADN63%，H2O26%，CH3OH11%，孔隙率0.5。催化床和燃燒室長(zhǎng)度分別為19mm和7.25mm，直徑分別為10mm和8mm，噴管擴(kuò)張比為50∶1。采用六面體網(wǎng)格對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小為0.4mm，在邊界層處進(jìn)行加密處理，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，同時(shí)采用虛擬多孔介質(zhì)來(lái)替代催化床。

1.1霧化模型和催化床能量方程

通過(guò)激光相位多普勒測(cè)速(PDA)實(shí)驗(yàn)獲得推進(jìn)劑的霧化特性[6]。

對(duì)于多孔介質(zhì)的傳熱過(guò)程，考慮固體相和流體相的溫差較大，采用局部非熱平衡模型，建立多孔介質(zhì)區(qū)非等溫模型。多孔介質(zhì)區(qū)氣相能量守恒方程[10-11]為

(1)

多孔介質(zhì)區(qū)固體域能量守恒方程為：

(2)

(3)式中：下標(biāo)f和s分別代表流體和固體；φ為孔隙率；kg為流體相導(dǎo)熱系數(shù)；ks為固體相導(dǎo)熱系數(shù)；hsf為流體和固體之間的導(dǎo)熱系數(shù)；Asf為流固交界面密度。

1.2ADN/甲醇簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)模型

ADN/甲醇的燃燒主要包括兩大過(guò)程：ADN分解反應(yīng)和甲醇氧化反應(yīng)。采用文獻(xiàn)中包括22種組分、20個(gè)基元反應(yīng)的催化分解和燃燒反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行模擬計(jì)算[9]。

2結(jié)果與討論

2.1ADN推力器內(nèi)催化分解和燃燒過(guò)程分析

ADN推力器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度、壓力及各物質(zhì)組分的三維軸向計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2，其中X為推力器沿軸線的長(zhǎng)度，Y為推力器沿徑向的長(zhǎng)度。

從圖2可以看出，ADN基推進(jìn)劑采用射流撞網(wǎng)的方式，以一定的角度進(jìn)入到推力器內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散和燃燒。氧化劑ADN在進(jìn)入到催化床6mm左右的區(qū)域就已經(jīng)分解完全。ADN的分解產(chǎn)物HN3O4在推力器內(nèi)部快速生成和消耗，這就導(dǎo)致在推力器內(nèi)存在較薄的反應(yīng)區(qū)。同時(shí)HN3O4分解得到HNNO2的反應(yīng)區(qū)也同樣較薄，并迅速分解生成N2O。ADN分解得到的另一種產(chǎn)物NH3，與HNNO2分解生成的OH-反應(yīng)，使其濃度降低，但是在推力器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，推力器中的另一種產(chǎn)物NH3剩余較多。由N2O生成的O2以及其他反應(yīng)生成的NO2和OH-與氧化劑甲醇以及其燃燒生成的中間產(chǎn)物CH2OH-、HCOOH、HCO-等進(jìn)一步反應(yīng)。當(dāng)考慮熱彌散效應(yīng)后，ADN基推進(jìn)劑的催化分解和燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠更好地在推力器催化床內(nèi)部傳遞，高溫區(qū)域逐漸向催化床下游和燃燒室移動(dòng)，最終導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部的峰值壓力達(dá)到0.53MPa，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為11.6%，同時(shí)當(dāng)推力器內(nèi)氣流經(jīng)過(guò)噴管喉口時(shí)，出現(xiàn)明顯的節(jié)流效應(yīng)，壓力明顯下降。燃燒室測(cè)點(diǎn)處的溫度為1678K，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為22%[8]。其原因可能是由于推力器在高溫情況下，未考慮壁面輻射的影響，所使用的簡(jiǎn)化機(jī)理與實(shí)際催化分解和燃燒過(guò)程仍存在一定的誤差。同時(shí)由于目前實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件的限制，測(cè)得特征物質(zhì)CO的摩爾分?jǐn)?shù)平均值為0.022[7]，而計(jì)算得到摩爾分?jǐn)?shù)為0.028，具有較好的一致性。

圖2　溫度、壓力以及各物質(zhì)組分的三維軸向計(jì)算結(jié)果Fig.2　The calculated results of three-dimensional axis of temperature, pressure and various components

2.2熱彌散效應(yīng)對(duì)推力器催化分解和燃燒過(guò)程的影響分析

當(dāng)ADN推力器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度及各物質(zhì)組分隨距離推力器入口長(zhǎng)度(L)的變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3　溫度及各物質(zhì)組分的隨距離推力器入口長(zhǎng)度的變化曲線Fig.3　The changing curves of three-dimensional axis with length from entering end of thruster

從圖3可以看出，考慮熱彌散效應(yīng)可以增強(qiáng)反應(yīng)熱量在推力器中的擴(kuò)散，催化床后半?yún)^(qū)域以及燃燒室沿著推力器中心軸線的溫度逐漸降低。與無(wú)熱彌散效應(yīng)相比，燃燒室測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)明顯升高，由1656K(無(wú)彌散)升至1721K(有彌散)，升幅為65K。氧化劑ADN在催化床中間區(qū)域就完全分解為HN3O4和NH3。這兩種物質(zhì)的峰值含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))出現(xiàn)在催化床上游，分別為14.9%和3%，分別比無(wú)彌散效應(yīng)時(shí)低51.6%和48.3%。這說(shuō)明ADN分解產(chǎn)物迅速生成并分解，之后生成氧化劑OH-、O2、NO2等，反應(yīng)區(qū)域以及含量分布與無(wú)彌散效應(yīng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果存在較大差異，與氧化劑反應(yīng)的燃料甲醇以及其燃燒反應(yīng)得到的HCOOH、CH2OH-、HCO-、CO的反應(yīng)區(qū)域和峰值含量也表現(xiàn)出類似的規(guī)律?？梢?jiàn)彌散效應(yīng)對(duì)推力器燃燒溫度和反應(yīng)物、重要中間產(chǎn)物等空間分布有著重要的影響。其原因主要是由于熱彌散效應(yīng)增強(qiáng)了熱量在推力器內(nèi)的擴(kuò)散，更加有利于催化分解和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬方法建立了固定床熱彌散非等溫模型，對(duì)ADN推力器內(nèi)部復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

(2)當(dāng)推力器燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，燃燒室峰值溫度和壓力分別為1678K和0.53MPa，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，誤差值分別為22%和11.6%。同時(shí)出口處CO摩爾分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的結(jié)果較為接近。

(3)與不考慮熱彌散效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，考慮熱彌散效應(yīng)時(shí)，部分中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物的空間分布都有一定程度的前移，并最終導(dǎo)致燃燒室測(cè)點(diǎn)溫升為65K。

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Numerical Simulation of Combustion Process in Non-toxic ADN-based Aerospace Thruster with Considering Thermal Dispersion Effect

ZHANG Tao1, LI Guo-xiu1, CHEN Jun1,2, YU Yu-song1, WANG Meng2

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China;2. Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

Abstract:With a new type of non-toxic ammonium dinitramide (ADN)-based aerospace thruster as the research object, the numerical simulation of complex physico-chemical processes in ADN thruster were performed through establishing the hit network atomization model, evaporation model of ADN propellant and non-isothermal model with considering thermal dispersion effect in fixed bed using 22 kids of components and reduced chemical reaction mechanism of 20 step reactions. The influence rule of thermal dispersion on ADN thruster performances was obtained. The results show that the calculated results are in good agreement with the experimental ones. The thermal dispersion effect of catalytic bed has an important influence on the catalysis and combustion processes of ADN propellant and the temperature, reactant and spatial distribution of the important intermediate products. Considering the thermal dispersion effect leads to higher combustion temperature.

Keywords:thermal dispersion effect; ammonium dinitramide; ADN; thruster; catalytic bed; numerical simulation

中圖分類號(hào)：TJ55; V434.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)02-0098-04

作者簡(jiǎn)介:張濤(1987-)，男，博士研究生，從事航天器推進(jìn)系統(tǒng)研究。E-mail：tzhang903@bjtu.edu.cn通訊作者:李國(guó)岫(1970-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事航天器推進(jìn)系統(tǒng)研究。E-mail：Li_guoxiu@yahoo.com

收稿日期:2015-10-20；修回日期:2015-12-12

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.020