考虑热弥散效应的ADN基无毒空间推力器内燃烧过程的数值模拟

张　涛，李国岫，陈　君,，虞育松，王　梦

(1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044; 2. 北京控制工程研究所，北京100190)



考虑热弥散效应的ADN基无毒空间推力器内燃烧过程的数值模拟

张涛1，李国岫1，陈君1,2，虞育松1，王梦2

(1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044; 2. 北京控制工程研究所，北京100190)

摘要：以新型二硝酰胺铵(ADN)基无毒空间推力器为研究对象，通过建立ADN推进剂撞网雾化、蒸发以及固定床内部考虑热弥散效应的非等温模型等，采用22种组分、20步反应的简化化学反应机理，对ADN推力器内部复杂物理化学过程进行数值模拟，并获得热弥散对ADN推力器性能的影响规律。结果表明，计算结果与实验结果具有较好的一致性。催化床的热弥散效应对ADN推进剂的催化和燃烧过程中温度，以及反应物和重要中间产物的空间分布有着重要的影响，当考虑热弥散效应时，会导致燃烧温度较高。

关键词：热弥散效应；二硝酰胺铵；ADN; 推力器；催化床；数值模拟

引言

二硝酰胺铵(ADN)是一种无毒且具有较高比冲和密度比冲的绿色推进剂[1-2]，被认为是在小卫星发动机上最有应用前景的推进剂。Anklo等[3]以两个可提供1N推力的高性能绿色推进系统(HPGP)为研究对象，对该推进系统的点火反应时间、稳态性能及脉冲性能等进行了测试，结果表明其具有点火快、能量高、无毒等优点。2010年瑞典成功通过棱镜卫星进行了演示策略和编队飞行的技术验证[4]，进一步验证了1N推力的HPGP具有较好的性能。美国等国家也相继针对5、22、50、200、220N等型号HPGP进行了研究。北京控制工程研究所[6-7]针对新型无毒ADN基空间推进剂成功开展了不同型号推力器的设计和实验研究；同时，北京交通大学等[8-9]也开展了推力器内催化分解和燃烧过程的数值模拟研究。

本研究以ADN推力器为研究对象，采用CFD数值模拟计算软件FLUENT，通过建立ADN推进剂雾化、催化床流动阻力模型，同时通过用户自定义函数建立热弥散效应催化床非等温模型，对ADN推力器催化分解和燃烧过程进行三维数值模拟，以期为后续推力器的设计和制造提供参考。

1模型建立

ADN推力器结构示意图见图1。

图1　ADN推力器内结构示意图Fig.1　Schematic diagram of sturcture of ADN thruster

将ADN推力器内催化分解和燃烧过程进行分区：液态ADN雾化和流动区、液雾加热和蒸发区、多孔介质内的ADN气液两相流动、气态ADN催化分解区、燃烧区和燃烧后区。以ADN为基的单组元推进器由催化床、燃烧室和喷管3部分组成，以ADN为基的三元混合物由圆柱射流采用射流撞网破碎后，进入催化床内进行催化分解，之后在燃烧室中进一步混合燃烧，最终将获得的高温高压气体经由喷管喷出产生推力。燃料入口流量为0.48g/s，催化床预热温度为300℃，壁面绝热，混合物的摩尔质量分数配比分别为ADN63%，H2O26%，CH3OH11%，孔隙率0.5。催化床和燃烧室长度分别为19mm和7.25mm，直径分别为10mm和8mm，喷管扩张比为50∶1。采用六面体网格对三维实体模型进行划分，网格大小为0.4mm，在边界层处进行加密处理，并对其进行网格独立性验证。壁面采用无滑移边界条件，同时采用虚拟多孔介质来替代催化床。

1.1雾化模型和催化床能量方程

通过激光相位多普勒测速(PDA)实验获得推进剂的雾化特性[6]。

对于多孔介质的传热过程，考虑固体相和流体相的温差较大，采用局部非热平衡模型，建立多孔介质区非等温模型。多孔介质区气相能量守恒方程[10-11]为

(1)

多孔介质区固体域能量守恒方程为：

(2)

(3)式中：下标f和s分别代表流体和固体；φ为孔隙率；kg为流体相导热系数；ks为固体相导热系数；hsf为流体和固体之间的导热系数；Asf为流固交界面密度。

1.2ADN/甲醇简化化学反应模型

ADN/甲醇的燃烧主要包括两大过程：ADN分解反应和甲醇氧化反应。采用文献中包括22种组分、20个基元反应的催化分解和燃烧反应机理进行模拟计算[9]。

2结果与讨论

2.1ADN推力器内催化分解和燃烧过程分析

ADN推力器达到稳定状态时，温度、压力及各物质组分的三维轴向计算结果见图2，其中X为推力器沿轴线的长度，Y为推力器沿径向的长度。

从图2可以看出，ADN基推进剂采用射流撞网的方式，以一定的角度进入到推力器内进行扩散和燃烧。氧化剂ADN在进入到催化床6mm左右的区域就已经分解完全。ADN的分解产物HN3O4在推力器内部快速生成和消耗，这就导致在推力器内存在较薄的反应区。同时HN3O4分解得到HNNO2的反应区也同样较薄，并迅速分解生成N2O。ADN分解得到的另一种产物NH3，与HNNO2分解生成的OH-反应，使其浓度降低，但是在推力器达到稳定状态时，推力器中的另一种产物NH3剩余较多。由N2O生成的O2以及其他反应生成的NO2和OH-与氧化剂甲醇以及其燃烧生成的中间产物CH2OH-、HCOOH、HCO-等进一步反应。当考虑热弥散效应后，ADN基推进剂的催化分解和燃烧反应产生的热量能够更好地在推力器催化床内部传递，高温区域逐渐向催化床下游和燃烧室移动，最终导致燃烧室内部的峰值压力达到0.53MPa，与实验结果的误差为11.6%，同时当推力器内气流经过喷管喉口时，出现明显的节流效应，压力明显下降。燃烧室测点处的温度为1678K，与实验结果的误差为22%[8]。其原因可能是由于推力器在高温情况下，未考虑壁面辐射的影响，所使用的简化机理与实际催化分解和燃烧过程仍存在一定的误差。同时由于目前实验测试条件的限制，测得特征物质CO的摩尔分数平均值为0.022[7]，而计算得到摩尔分数为0.028，具有较好的一致性。

图2　温度、压力以及各物质组分的三维轴向计算结果Fig.2　The calculated results of three-dimensional axis of temperature, pressure and various components

2.2热弥散效应对推力器催化分解和燃烧过程的影响分析

当ADN推力器达到稳定状态时，温度及各物质组分随距离推力器入口长度(L)的变化曲线见图3。

图3　温度及各物质组分的随距离推力器入口长度的变化曲线Fig.3　The changing curves of three-dimensional axis with length from entering end of thruster

从图3可以看出，考虑热弥散效应可以增强反应热量在推力器中的扩散，催化床后半区域以及燃烧室沿着推力器中心轴线的温度逐渐降低。与无热弥散效应相比，燃烧室测点温度出现明显升高，由1656K(无弥散)升至1721K(有弥散)，升幅为65K。氧化剂ADN在催化床中间区域就完全分解为HN3O4和NH3。这两种物质的峰值含量(质量分数)出现在催化床上游，分别为14.9%和3%，分别比无弥散效应时低51.6%和48.3%。这说明ADN分解产物迅速生成并分解，之后生成氧化剂OH-、O2、NO2等，反应区域以及含量分布与无弥散效应时的计算结果存在较大差异，与氧化剂反应的燃料甲醇以及其燃烧反应得到的HCOOH、CH2OH-、HCO-、CO的反应区域和峰值含量也表现出类似的规律。可见弥散效应对推力器燃烧温度和反应物、重要中间产物等空间分布有着重要的影响。其原因主要是由于热弥散效应增强了热量在推力器内的扩散，更加有利于催化分解和燃烧反应的进行。

3结论

(1)通过数值模拟方法建立了固定床热弥散非等温模型，对ADN推力器内部复杂物理化学过程进行了数值模拟研究，并与实验结果进行对比，验证了模型的准确性。

(2)当推力器燃烧达到稳定状态时，燃烧室峰值温度和压力分别为1678K和0.53MPa，与实验结果具有较好的一致性，误差值分别为22%和11.6%。同时出口处CO摩尔分数与实验所测的结果较为接近。

(3)与不考虑热弥散效应的计算结果对比，考虑热弥散效应时，部分中间产物以及最终产物的空间分布都有一定程度的前移，并最终导致燃烧室测点温升为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

中图分类号：TJ55; V434.24

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)02-0098-04

作者简介:张涛(1987-)，男，博士研究生，从事航天器推进系统研究。E-mail：tzhang903@bjtu.edu.cn通讯作者:李国岫(1970-)，男，教授，博士生导师，从事航天器推进系统研究。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