利用PP法簡化液體姿軌控發動機化學反應機理

王大銳，程圣清，張 楠

（北京航天動力研究所，北京100076）

0 引言

近年來，耦合詳細化學反應的液體火箭發動機燃燒過程研究成為熱點，掌握主要推進劑組合的化學反應機理是開展該研究的基礎。目前，甲基肼（MMH）/四氧化二氮（NTO）,液氫（LH2）/液氧（LO2）和煤油（Kerosene）/液氧（LO2）是3種主要的航天推進劑組合。與后兩種推進劑組合相比，MMH/NTO屬于自燃推進劑，其詳細機理很難獲得。此前，對于此類推進劑組合火箭發動機燃燒CFD計算通常采用總包反應代替，如O.Knab將四步總包反應加入到發動機燃燒模型中[1]，對400 N液體姿軌控火箭發動機燃燒過程進行了數值模擬。研究后發現，總包反應對于中間反應忽略過大，數值計算結果與試驗測量結果出入較大，因此需要構建詳細機理對發動機燃燒過程進行模擬，其中Laurent構建了一套含有82種組分和403步基元反應的詳細機理（機理未公布）[2-3]，該機理通過與Seamans的爆炸理論在點火延遲時間上計算結果的比較[4]，驗證了該機理的正確性，但該機理過于復雜，并不適合耦合在湍流場中進行發動機燃燒CFD計算。因此，需要將詳細機理進行適當簡化，以滿足發動機燃燒CFD計算要求。

目前對于復雜燃燒機理的簡化大體可以分為2大類，一類是以去除影響較小的基元反應來進行簡化，如敏感性分析法SA[5-6]，準穩態假定QSSA[7]，主成分分析法PCA[8-9]等；另一類則是以去除不重要的組分來進行簡化，如直接關系圖法DRG[10]以及多代通量法PFA[11-12]等。以上各簡化方法各有優勢，但也都有局限性。

本文提出將PCA和PFA方法聯合在一起使用，對43種組分和201步基元反應的甲基肼/四氧化二氮反應機理進行簡化研究，并將簡化機理與國外文獻以及詳細機理在典型工況下點火延遲時間、平衡溫度以及主要平衡產物計算結果進行對比?！?br>