催化床對凝膠火箭發動機工作過程的影響

吳　迪

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京　210094；2.內蒙動力機械研究所，呼和浩特　010010)

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催化床對凝膠火箭發動機工作過程的影響

吳迪1,2

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京210094；2.內蒙動力機械研究所，呼和浩特010010)

摘要：為了研究相關噴注參數及催化床結構對凝膠火箭發動機燃燒室內流場及工作特性的影響，運用Fluent軟件并基于DPM，k-ε標準湍流模型等，對具有不同催化床長度的單組元凝膠單推-3火箭發動機燃燒室內的工作過程進行了數值模擬；結果表明：催化床長度越長，由于氨氣分解率的升高，燃燒室溫度反而較低，燃燒室壓力隨之降低。推進劑液滴與催化床間的交互作用，如滲透距離，也對反應特性有相當重要的影響。

關鍵詞：凝膠火箭發動機；單推-3；催化床；數值模擬

凝膠推進劑是用少量凝膠劑將約為其自身質量 3～1 000 倍的液體組分(燃料、氧化劑或其混合物)凝膠化，形成具有一定結構和特定性能并能長期保持穩定的凝膠體系。它兼具固體推進劑和液體推進劑的優點，既能像固體推進劑一樣貯存，又具有液體推進劑一樣的比沖特性，因而受到人們的重視。單組元凝膠推進劑將氧化劑和燃料結合于同一體系(以分子間和分子內兩種結合方式)，避免了雙組元凝膠需分別貯存的缺點[1-3]。單推-3(DT-3)是我國20世紀80年代自行研制的性能優良的單組元液體推進劑，它是由肼(N2H4)、硝酸肼(N2H5NO3)、水(H2O)和少量的氨(NH3)四種組分按規定的配比組成，其中主要成分是N2H4，質量分數約占70%，DT-3冰點低于無水肼，環境適應性好，已普遍應用于人造衛星上當作小型推力來源，用來進行衛星姿態控制及軌道轉換[4]。將DT-3推進劑凝膠化，不僅提高了安全性而且方便貯存。

目前有關凝膠DT-3推進劑的研究，多數以制備,實驗和流變特性方面為主[5-8]，利用計算機模擬其工作過程相對較少。本文以單組元凝膠DT-3為噴射燃料，運用流體力學軟件Fluent對其在發動機燃燒室內從噴射，霧化到發生化學反應的整個過程進行了數值模擬，主要探討不同催化床的長度對燃燒室的溫度壓力及各組分分布等流場特性的影響。本文有助于了解不同參數的影響，用以引導相關單組元發動機的設計及測試，以得到最佳推進性能。

1計算方法

1.1計算模型及參數

本文的計算模型是一臺微推力的小型發動機，其結構及邊界條件如圖1所示，主要包括發動機燃燒室以及噴管的收斂段，主要尺寸為燃燒室直徑A=15 mm，喉部直徑B=2 mm，燃燒室長度為C=43 mm，燃燒室前段有一個空間，其軸向長度d=10 mm，稱之為霧化空間，此空間大小參考文獻[9]設計，目的是希望噴注的推進劑在進入催化床前能分裂為更小的液滴，利于燃燒反應進行。霧化區域之后就是催化區域,其長度在圖中表示為E。

圖1　燃燒室幾何模型，邊界條件及網格

由于主要探究燃燒室內的參數變化，所以沒有繪制噴管的擴張段，并且采用二維軸對稱結構進行計算以減少計算量，出口為壓力出口，其他邊界均為壁面，采用結構網格，數量約為1萬。另外由于并不研究噴注孔洞大小及分布的影響，圖中并沒有相關的結構，假設為從坐標原點(0,0)進行噴射，方向沿x正向，采用Fluent中的離散相模型模擬其噴射的情況。

整個工作過程為將推進劑以噴霧方式噴入燃燒室，首先在霧化區霧化，接著在催化區在催化劑作用下快速反應產生大量氣體，幫助燃燒室建壓，最后高壓氣體經由噴管高速噴出以產生推力。整個過程順序大致可分為：霧化、反應燃燒、建壓、產生推力。

1.2相關假設及邊界條件

本文討論的燃燒室內包含一個多孔性介質的催化區域，并且含有氣液兩相及化學反應，流場較為復雜，為了求解必須進行相關的簡化與假設。

催化區域發生的催化反應是一個很復雜的過程，包括反應物質的吸附，表面反應，脫附，擴散等過程，為簡化起見，將其反應分為以下幾個反應：

(1)3N2H4→4NH3+3N2(放熱反應)

(2)3N2H4→3N2+6H2(放熱反應)

(3)3N2H5NO3→9H2O+NH3+5N2(放熱反應)

(4)4NH3+N2H4→3N2+8H2(吸熱反應)

整體看來主要可分為兩個步驟，一為燃料N2H4,N2H5NO3的放熱分解反應，二為NH3的吸熱分解反應。本文中化學反應速率服從阿累尼烏斯定律。在放熱分解方面參考相關文獻[10-11]，設定其反應常數的阿累尼烏斯形式為

在吸熱分解方面采用文獻[12]所提出的反應模式：

其中PNH3為氨氣的分壓。

其他相關假設還包括：液滴為球型；液滴于催化床床內仍能保持液滴狀，用來模擬液體的滲透效果；忽略重力影響；液滴與壁面無傳熱現象；氣相部份為理想混合氣體；多孔性介質內部顆粒假設為不可變的圓球狀；忽略氨氣的熱分解效應；忽略凝膠劑對反應的影響。

本文討論的各種不同工況的相關參數條件如表1所示，在溫度邊界條件方面，燃燒室初始溫度值為1 000 K，外界溫度為300 K。在壓力邊界條件方面，為壓力出口，外界壓力為1大氣壓，燃燒室在開始充滿氮氣的情況下，壓力由燃燒室初始溫度計算得到約為 3.1 大氣壓。質量流率為2.27×10-3kg/s，噴射速度為25 m/s，多孔介質孔隙率設置為0.2，粘性阻力系數和慣性阻力系數設定為1.33e+10和467 000。在燃燒室壁面方面，假設為絕熱且無滑移。

表1　各計算工況的催化床參數

2模擬結果與分析

2.1多孔性介質的影響

本文催化床是一個多孔性介質，當燃料以噴霧的方式噴注在催化床上時，之前假設液態燃料仍保持著液滴形狀在催化床內移動，因此必須考慮到液滴在多孔性介質內的移動特性。

圖2為氣體在霧化空間的速度向量圖，由圖2可看出氣流在受到固體阻力的影響后產生渦流現象。而推進劑液滴碰到催化床后的現象如圖3所示。圖3中的黑點即表示推進劑的小液滴。

圖2　催化區前霧化區域氣體速度向量圖

圖3　推進劑液滴滲透圖

由圖3中可看出液滴會在催化床前部并慢慢向前滲透并逐漸蒸發減少，由于多孔介質的阻力作用還會產生少許積累，滲透的距離中間最深，大約15 mm左右并隨著徑向加大逐漸變淺。這主要是因為液滴進入催化床時的瞬時速度不同。處于液滴群中間的液滴受氣體阻力影響較小，速度會大于外圍液滴的速度，因此當進入催化床后其滲透距離較深。

液滴在多孔性介質催化床內的蒸發方面，本文只考慮氣體對液滴受熱的影響，并沒有考慮到多孔性介質對液滴的熱輻射及液滴與多孔性介質間熱傳導的影響。因為燃燒室溫度并非太高，所以忽略熱輻射的影響屬于可接受范圍。而忽略熱傳導效應的原因在于，熱傳導系數必須通過實驗，由可靠的數據才能得到。目前還無法得到此方面的有力數據，所以暫不考慮固液相的熱傳導效應。同是考慮到凝膠劑的存在會減慢蒸發速率，在Fluent設置相關影響蒸發的參數時進行了一定的修正，使其更符合實際。

2.2催化床長度對燃燒室的影響

在改變催化床幾何形狀方面，改變催化床的直徑、長度、催化顆粒大小等，都會對發動機的性能產生不同的影響，包括：NH3分解率改變、燃燒室的溫度壓力改變、N2H4氣體殘余量等。而對于不同推力級的發動機應當有最佳幾何參數。這里主要考慮催化床長度的影響。

2.2.1燃燒室溫度壓力變化規律

選取不同工況下的噴管入口(x=43 mm)處的溫度與壓力值如表2所示，可以發現，相同的燃料進口溫度，不同催化床長度下的燃燒室溫度可得工況1相對最高溫，而工況5則為相對最低溫度。溫度比較圖見圖4；溫度云圖見圖5。

表2　不同工況下的燃燒室內的溫度和壓力值

圖4　各工況對稱軸上溫度變化比較

(a)工況1; (b)工況2; (c)工況3; (d)工況4; (e)工況5

在圖4所表示的燃燒室溫度分布曲線圖中 x方向代表軸向距離，y 方向代表溫度大小，從圖4可以看出，催化床前的燃燒室溫度由液滴主導，因為此處沒有催化劑幫助反應，所以此處液滴反應量遠低于液滴蒸發量，故有液滴存在之處溫度會較低。

當進入催化劑區域后，燃燒室溫度會從催化床起始點開始慢慢增溫，因為催化劑有降低活化能及提高反應速率的效果，故N2H4，N2H5NO3氣體會快速反應掉，其反應速率將遠高于液滴的蒸發速率，燃燒室溫度急劇上升。由圖4可看到溫度峰值位約在x=15 mm 處，在此點之后，燃燒室溫度開始下降，由此可知，N2H4氣體的反應速率非常快速，在沒有液滴存在的地方，氣體將快速反應掉，而燃燒室的熱量會由NH3分解(吸熱反應)慢慢消耗掉，因此，反應室的溫度只會降低，不會升高。燃燒室后段的溫度將由NH3分解量來主導。

當催化床長度變短時，燃燒室的溫度較高，其原因是較長的催化床會造成NH3在床內的停留時間增長，而催化劑會降低它反應的活化能，加快NH3的分解速率，這樣就會有更多的NH3分解，而NH3分解為吸熱反應，就會造成燃燒室溫度變低。

在燃燒室壓力方面，由表2各工況的結果可發現，催化床長度越長，燃燒室壓力越低，其原因也與NH3分解率有關。氨的分解對燃燒室的壓力有正向及負向影響，正向影響為NH3的分解，有助于增加燃燒室內的低分子量氣體，提高建壓速率，而負向影響則為過多的NH3分解會造成燃燒室溫度偏低，導致壓力隨之變低。燃燒室噴管進口處壓力工況1最高，工況5最低，原因在于催化床越長NH3分解量越多，導致燃燒室溫度越低。所以，當氣體平均分子量差不多時，燃燒室溫度越高會造成壓力相對較高。

2.2.2N2H4氣體分布規律

在N2H4氣體分布曲線如圖6～圖8，分別對應工況1，工況3，工況4，5條曲線代表5個不同徑向位置上的N2H4氣體沿著軸向的分布。x方向代表軸向距離(m)，y方向代表N2H4氣體摩爾分數，由圖中可以看出，N2H4氣體在催化床內會快速反應掉，所以在催化床后段并不會再有N2H4氣體存在。

影響N2H4氣體滲透現象最重要的兩個因素為N2H4的分解模式和推進劑液體的滲透模式，N2H4氣體能存在多久將由它們共同決定。因為N2H4的分解速率過快，很快就會反應掉。所以作為N2H4氣體的源頭，推進劑液滴能滲透多遠基本上決定了氣體能滲透多遠。由圖6～圖8可看到液滴滲透至 x=15 mm左右的位置，而N2H4氣體在沒有液滴存在的地方會快速分解掉。

圖6　工況1 不同徑向N2H4摩爾分數沿軸向分布

圖7　工況3 不同徑向N2H4摩爾分數沿軸向分布

圖8　工況4 不同徑向N2H4摩爾分數沿軸向分布

由圖6～圖8可以看出，不同的徑向位置的N2H4氣體分布有所不同，越靠近對稱軸的N2H4氣體摩爾分數越高，滲透距離也要遠一些。主要原因就在于越靠近對稱軸的液滴，較邊緣的液滴滲透的距離要遠一些，而由于液體是從原點噴出，故靠近對稱軸的液滴的量也要較兩側多一些。故作為N2H4氣體來源的推進劑液滴的分布差異造成了此種分布的不同。

2.2.3NH3氣體分布規律

NH3分布曲線，如圖10～圖12所示，分別對應工況1，工況3，工況4，5條曲線代表5個不同徑向位置上的NH3沿著軸向的分布。圖中 x方向代表軸向距離(m)，y 方向代表NH3摩爾分數，可由圖 10～圖12發現NH3在x≈15 mm 處有一峰值，原因為此處的N2H4、N2H5NO3氣體快速分解產生大量的NH3及N2，而NH3產生率將遠大于NH3分解率，故在此處有一峰值。另外，各工況的NH3氣體量比較可見圖9。同樣，NH3在不同徑向位置分布也有所不同，因為NH3主要是由N2H4氣體生成，不同徑向N2H4分布的差異會造成不同徑向NH3分布不同。

圖9　各工況對稱軸上氨氣比較

圖10　工況1不同徑向NH3摩爾分數沿軸向分布

圖11　工況3 不同徑向NH3摩爾分數沿軸向分布

圖12　工況4 不同徑向NH3摩爾分數沿軸向分布

氨氣為N2H4、N2H5NO3快速分解反應后所產生，本文僅考慮氨氣的催化分解，未考慮在催化床外的高溫區域的熱分解反應。因為由 Lin.Li等[13]的研究，氨氣的熱分解在低溫時并不活躍，而當溫度攀升到900 K 左右后，熱分解反應才開始產生，但也是緩慢進行。隨著溫度慢慢提高，熱分解速率會加快，所以可以忽略催化床外的NH3熱分解反應。霧化區的NH3濃度僅會靠擴散或氣流影響慢慢到達平衡。而在催化床后段的NH3，會隨著分解反應的進行慢慢減少。

3結論

本文在探討各參數變化對燃燒室的影響后，歸納出以下結論：

1)固定質量流率下，隨著催化床長度增長而增加，NH3在床內的駐留時間增長，由于催化劑會降低它反應的活化能，加快NH3的分解速率，造成更多的NH3分解，使NH3分解率上升；

2)由于NH3分解為一個吸熱反應，隨著NH3分解率的增加溫度隨之下降，造成燃燒室溫度變低，而在氣體平均分子量相差不多時溫度的降低可能導致壓力下降；

3)因N2H4在催化劑作用下的反應速率很快，所以推進劑液滴的滲透距離基本決定了N2H4氣體在燃燒室內的滲透距離，從而影響燃燒室中高溫區域的位置以及相關物質分布情況，所以液滴的滲透距離是影響燃燒室模擬結果準確性的重要因素。

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：吳迪.催化床對凝膠火箭發動機工作過程的影響[J].兵器裝備工程學報，2016(5):61-65.

Citation format:WU Di.Numerical Simulation of Influence of Catalyst Bed on Working Process of Gelled Monopropellant Thrusters[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):61-65.

Numerical Simulation of Influence of Catalyst Bed on Working Process of Gelled Monopropellant Thrusters

WU Di1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 2.Inner Mongolia Power Machinery Research Institute,Hohhot 010010,China)

Abstract:In order to understand the influence of relative injection parameters and catalytic bed structure on the flow field and material distribution in the combustion chamber,the simulations to the different catalyst bed length were carried out by using the Fluent software based on the DPM model,the standard k-εturbulence model and so on.The results show that the chamber temperature and pressure decrease with a longer catalyst bed,due to a higher ammonia dissociation rate.The results also reveal that there is interaction between monopropellant and the catalyst bed,such as the liquid permeability,which has significant influences on the reaction characteristics.

Key words:gelled propellant thrusters; DT-3; catalyst bed; numerical simulation

doi:【裝備理論與裝備技術】10.11809/scbgxb2016.05.015

收稿日期：2015-11-12；修回日期：2015-12-17

作者簡介：吳迪(1987—)，男，碩士研究生，主要從事凝膠火箭發動機數值模擬研究。

中圖分類號：TJ013;V433

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0061-05