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列昂尼德•l . Minkov恩斯特r . Shrager Elizaveta诉Pikushchak, ”金属颗粒的最佳处置推进剂粮食”,国际航空航天工程杂志》上, 卷。2014年, 文章的ID958758年, 8 页面, 2014年。 https://doi.org/10.1155/2014/958758
金属颗粒的最佳处置推进剂粮食
文摘
使用分散金属固体推进剂燃烧的温度增加产品等问题导致特定的脉冲由于不完全燃烧损失的金属微粒在排气产品。重新分配的金属加载到推进剂颗粒的方法来降低比冲量的损失。本文报告的方法获得的最佳金属粒子性格case-bounded推进剂粒管横截面类型。三种不同的方法分析金属燃烧效率进行了讨论。的影响的动态非平衡两相流的最佳金属颗粒性格推进剂粒管横截面类型调查。
1。介绍
增加动力的能源效率是一个重要的任务设计固体火箭发动机(SRM)的组成部分之一就是建立一个推进剂与高的比冲量(1]。复合固体推进剂目前广泛应用于SRM,含有铝、镁等金属作为燃料添加剂增加特定的冲动和燃烧稳定性(2]。
众所周知的金属添加剂,一方面,导致改善复合固体推进剂的能量性能由于高温燃烧3),另一方面,他们比冲量的来源的损失是由于不完全燃烧的金属颗粒(尤其是小规模SRM和nozzleless SRM) [4]。后者可以减少了金属粒子在固体推进剂的再分配按照推进剂谷物和SRM的特质。
增加特定的冲动的问题由于金属内部的再分配解决粮食问题在过去的40年。例如,1976年在日本的专利组合的固体推进剂金属再分配是由不同颗粒大小(5]。指出,粮食的SRM通道直径比的通道长度等于30,再分配的粒子大小(通道长度的44%是被50 - 150微米粒子,28% 20 - 50微米粒子,28%,小于20微米粒子)可以给4 - 7%增加特定的冲动与均匀分布的金属粉末的推进剂。此外,金属再分配另一个方法是通过改变其质量分数增加特定的冲动。
调查一个数值的影响金属粒子再分配按照质量分数的燃烧效率进行了文献[6)通过假设金属颗粒的质量分数沿着通道线性变化。结果表明,存在一个最优的斜率提供最大燃烧效率对于一个给定的金属推进剂颗粒的质量。的坐标点的依赖的金属微粒使颗粒表面的初始大小颗粒燃烧在通道出口了摘要(7]。获得的解决方案是在一维流近似,并表示贝塞尔函数的修改。
无论如何,研究金属颗粒的燃烧效率的燃烧室SRM是基于单个粒子的运动分析(6,8]。单个粒子的运动频道的固体推进剂颗粒在各种因素的影响下研究[9- - - - - -13]。
它揭示了最优的方法感兴趣的性格推进剂金属颗粒的颗粒与圆柱通道从最大燃烧效率的角度,识别影响燃烧效率的主要参数。
2。域的方法
燃烧产品的金属化复合固体推进剂(MCSP)离开燃烧表面应该由金属(铝),氧化气体(CО2H2O, O)、惰性气体(我)。化学反应发生在金属和氧化气体之间形成金属氧化物和惰性气体
在这里和分别是氧化气体和惰性气体。方程(1)表明,完全燃烧一摩尔的金属需要氧化气体的摩尔数。这个化学计量比强加某些限制MCSP金属的允许的内容。我们定义的极限MCSP金属质量分数,金属可以燃烧完全。在燃烧生成的气体摩尔数MCSP =。摩尔数的金属流=。因此,依照(1)完全燃烧的金属以下平等必须持有:
因此,金属的质量分数的限制价值可以从找到
在这里。方程(3)表明,取决于和复杂的。对于价值观金属不能完全燃烧,氧化气体就足够了。对于不同的推进剂,摩尔质量变化从15到30公斤/ Kmol这样复杂从0.8到1.6不等。它遵循从(3),降低气相的分子量,提高氧化气体的摩尔分数导致增加的极限值。
有两个主要时间参数影响金属燃烧SRM的完整性,即金属粒子的燃烧时间特征和金属粒子的停留时间特征在SRM的燃烧室,。
域的方法,停留时间可以被定义为。如果喷嘴流量系数和热损失系数等于团结,我们发现 这里。
金属粒子的燃烧时间特征可以从实验的依赖14,15]。这里我们使用简单的相关性[15]: 在哪里1.062·104秒/ m1.5为。的状况完全燃烧的金属可以书面形式,在那里。当比率是20米,是0.1,那么粒子的直径是完全燃烧室出口小于50μ米,当= 0.4,直径达到100μm。降低燃烧室的体积会导致减少粒子的直径可以完全燃烧。估计显示,当和,粒子直径达到10μm和当,粒子直径是25μm。
因此,零维方法允许我们获得条件下金属颗粒的燃烧室SRM将完全燃烧:金属颗粒的质量分数MCSP小于从(3);金属粒子的燃烧时间比在燃烧室中形成金属粒子的停留时间必须小于团结,。
3所示。一和二维方法
域方法不允许我们探测粒子分布的影响以及粒子的燃烧通道的完整性。它可以由一人或二维的基础上的方法。
据拉森(16),金属燃烧效率定义的质量流率和平衡流(平等的气体和粒子速度),影响效率的主要参数是金属粒子的燃烧时间比金属粒子的平均停留时间在SRM的燃烧室,,鼹鼠通量之比金属和氧化剂推进剂燃烧表面,,考虑到化学计量比可以写成 在,我们有
的参数是更大的统一的氧化剂不足和不团结的氧化剂过量。
作为一个规则,MCSP包含三个主要组件:粘结剂,氧化剂和金属粉。金属的质量分数分布在推进剂可以表示通过组件的质量密度和体积分数 在哪里是金属的体积分数分布在活页夹,等于什么。由于燃烧的速度离开产品的燃烧表面SRM表示温度的相关性 参数的公式是
完全燃烧的必要条件的金属推进剂颗粒和。后(3),(7)的情况对应于 。
分析(7)- (10)表明,金属的质量分数的增加会导致参数的增加和减少参数和氧化剂的摩尔分数的增加减少两个和。评估参数和,让我们把,3500°K,,,,公斤/ Kmol,J /(公斤·K),为μm,为μm。
燃烧产品的停留时间定义的商会SRM (4)和用于(10)是一个平均的特点,因此,即使,但这并不意味着所有的金属表面从燃烧的通道完全燃烧。事实上,金属粒子离开该地区位于靠近前端的粮食需要更多时间运动之前退出通道比粒子离开该地区附近的退出通道。如果,存在一个坐标推进剂燃烧表面的一个点的粒子逃离和伯恩斯的退出通道。因此,在颗粒燃烧完全在退出之前,而在他们不。
估计坐标和定义金属粒子的停留时间,一个可以使用的近似平衡两相流。通道的旋转流场的等截面横向燃烧表面给出如下(17]: 无旋一个给定如下(18]:
对于一维方法,连续性方程形式产品燃烧的速度,同时无旋流场的速度二维情况。
可以看到从上面的相关性,轴向速度在旋转流场的情况下取决于两种和坐标和在其他情况下,它只取决于坐标。因此,为了找到一个相关的金属粒子在旋转流场的情况下,我们必须解决两个方程组;;;和一个方程;否则。解决旋转流场的方程为: 和无旋流场
从公式(13)和(14),如果粒子燃烧时间等于粒子的平均停留时间的通道,,的价值,0.367 = 0.398旋转流和无旋流动。这意味着粒子超过一半的推进剂颗粒表面不会烧坏。
在极限情况和,金属燃烧效率是这样产生的。
对于一维流,
对于二维流,
所以对于沿着通道粒子的均匀分布,金属燃烧效率的价值不太统一,和二维和一维情况下,分别。
4所示。结果和讨论
4.1。优化配置的粮食
提供金属燃烧效率的平等团结,有必要从点粒子的停留时间坐标应大于其燃烧时间。你可以看到从表达式(10)这可能通过变异或在恒定的值和。让我们定义的依赖提供的价值等于团结。
的气体被认为是不可压缩流场平衡,沿着粒子轨迹的摩尔分数氧化剂可以写成(16] 这对一维与二维的方法是有效的。颗粒的燃烧速率定律可以表示为 通过无量纲变量,给了 表示和集成(19)的时间从0到粒子的燃烧时间,我们获得 利用以前获得的关系(13),(14)和引入的变量,我们对二维流动 对于一维流 因此,它遵循从(21),(22),它可以被视为最优分布的金属粒子,可以达到的一个变体沿着在的一个变体沿着在。假设,我们有以下。
对于二维流,
对于一维流,
在在这两种情况下,我们有狄拉克δ函数。后者的意思是,当参数的值(以及粒度)应该是零在整个通道,除了这一点。
图1显示特性的在不同的参数值。虚线对应于一维流动和固体的二维流动。质的区别清晰可见的行为功能当对于这两种情况下当。
的行为沿着通道的长度在不同的参数值描绘在图2。看到,实现平等推进剂的金属颗粒应该没有右边的交点与横坐标轴之间的曲线。增加(减少)的价值交点的转变导致的左(右)和一维流(虚线)该地区自由粒子比的二维流(坚实的曲线)。
4.2。最优分布横纹
在推进剂燃烧过程中,通道半径减少导致的价值的变化对于一个给定的值。假设燃烧室容积的增加不会影响燃烧室的温度,的价值到通道半径的平方成反比的SRM的几何如下(10)。逆比例通道半径发生SRM的几何。因此,当的价值增加的价值减少,依赖和将会改变。从(21)和(22),一个可以获得另一个相关性 在哪里 在哪里的比例是当前通道初始半径。相关(25)应该被作为一个参数之间的关系和在恒定的价值,它提供了或作为确定函数的方程在给定的(位置相同大小的粒子在推进剂可完全燃烧通道出口),或作为确定函数的方程在给定的(位置的推进剂部分相同质量分数的金属粒子提供完全燃烧)。
的概要文件对二维流(实曲线)和1 d流(虚线)得到,和不同的价值观描绘在图3。曲线对应于不同类型的流相互接近前端附近的谷物和谷物的屁股附近有很大的不同。平等的分配大小粒子()依照它们的质量内容在推进剂谷物如图4。
的增加(图5)会导致增强的区域改变从0到0.9,增加区域自由粒子(粮食曲线以下的一部分)。相同的行为发生的和(图6)。粒子的停留时间的一维流小于这的2 d流导致的位移概要文件(图4),(图6向下)前端的一粒一粒的屁股和向上对2 d的类似的资料流。
图7显示参数的依赖性复杂率的参数在。这是见过(金属相比可以忽略不计的通量与氧化气体通量)的参数可以任意的任意性的值而在(化学计量比摩尔通量)的价值应该等于零。
4.3。影响速度的滞后
惯性粒子移动的速度小于气体的速度,通道的颗粒停留时间的增加,这就增加了金属燃烧效率。
考虑到二维近似。后(16),我们可以把方程组描述粒子的运动的通道流场考虑粒子速度滞后是可以忽略不计的计算氧化剂浓度沿粒子轨迹(所谓的国王的模型): 在哪里
系统的(27)是无量纲的,长度尺度选择频道的半径和速度选择范围。
对于旋流, 无旋流,;。
在初始时刻的时候,下列条件设置:;;;。
无旋流,;对于旋流,。粒子的状态驻留在通道被定义为以下不平等:,在那里是无量纲长度的通道。
计算粒子燃烧的燃烧效率考虑速度滞后我们使用以下公式(16]:
在这里是粒子的直径在出口处导致推进剂燃烧表面和坐标点吗。提供,有必要解决系统(27)和定义的值协调赋予的值等于零。
从上面的系统(27)- (30.),一个可以看到的解决方案取决于,除了和,还三个无量纲参数、再保险和,在那里是平均停留时间的弛豫时间比率。当流趋于平衡。
推进剂燃烧的圆柱形通道粮食的情况下,燃烧产品的流出速度从燃烧推进剂表面变化。它是已知的19)在燃烧表面的燃烧气体速度成反比通道半径在这种情况下,和质量流量通道半径成正比的力量,在那里是推进剂燃烧速率的指数法。因此,无量纲参数,,再保险也变量。如果我们表示这些参数在初始时刻的时间,,,,然后在另一个时刻的时间(在的情况下他们如下:
解决系统的(27)- (30.),依赖代表最优配置金属颗粒的推进剂。
参数的影响,,曲线上的位置对旋流数据所示8,9,10,分别。值的降低,和价值的增加导致曲线的偏差的增加部分的位置的方向从相应的平衡流。的变化曲线在这个方向上意味着燃烧效率的增加,增加的价值和减少的值,与精力充沛的观点更可取的情况下非平衡流动。很明显,曲线越接近通过曲线对应于平衡流附近,依赖就越好(25)响应系统的解决方案(27)。因此,可以说依赖(25)描述系统的解决方案(27)的值和和小。
5。结论
分析相关的金属颗粒的最佳性格case-bounded推进剂粒管横截面类型的假设下,推导出平衡两相流。
分析燃烧的无量纲运动方程组描述粒子在圆形截面的渠道考虑速度滞后表明,金属颗粒的最佳配置推进剂颗粒取决于五个参数:通道的相对长度;粒子弛豫时间;摩尔金属氧化剂在推进剂颗粒表面通量比;粒子停留时间比燃烧;和雷诺数的粒子。
粒子弛豫时间的增加和减少粒子雷诺数和燃烧效率的相对通道长度可取的观点对于非平衡流动。
命名法
| 喷嘴喉部面积 | |
| 颗粒直径 | |
| 金属燃烧效率 | |
| 功能 | |
| 惰性气体 | |
| 质量率 | |
| 在粒子燃烧速率定律系数 | |
| 通道长度 | |
| 无量纲通道长度 | |
| 摩尔质量的物种 | |
| 指数在推进剂燃烧速率定律 | |
| 氧化气体 | |
| 指数在粒子燃烧速率定律 | |
| 气体常数 | |
| 通道半径 | |
| 雷诺数 | |
| 侧表面面积的粮食 | |
| 时间 | |
| 温度 | |
| 轴向和径向速度的组成部分 | |
| 无量纲速度的组件 | |
| 速度在燃烧表面 | |
| 体积 | |
| 轴向和径向坐标 | |
| 无量纲坐标 | |
| 金属的质量分数。 |
| 摩尔分数的氧化剂 | |
| 体积分数 | |
| 无量纲的粒度 | |
| 气体动态复杂 | |
| 比热容比气相 | |
| 拖拽功能 | |
| 体积密度 | |
| 无因次时间 | |
| 粘度 | |
| 化学计量系数 | |
| Burning-to-residence时间比 | |
| 质量流量比率 | |
| 摩尔质量复杂 | |
| Relaxation-to-residence时间比率。 |
| 氧化 | |
| 燃烧室 | |
| 燃烧 | |
| 粘结剂 | |
| 燃烧表面 | |
| 惰性气体 | |
| 气相 | |
| 限制 | |
| 金属 | |
| 金属粘结剂 | |
| 氧化气体 | |
| 氧化剂粒子 | |
| 通道出口 | |
| 燃烧的产品 | |
| 住宅 | |
| 初始值。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
支持这项工作是由俄罗斯联邦教育部和科学,没有协议。10.1329.2014 / K。
引用
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