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膏体推进剂流变与输送特性研究

周超  
【摘要】: 以微小型姿控膏体推进剂火箭发动机应用为背景,对膏体推进剂流变学特性、供给方式、管道输送特性和流动数值仿真方法进行了研究,为发动机输送系统设计及优化奠定了理论及实验基础。 本文首先对四种膏体推进剂配方样品和三种模拟液样品开展了流变学测试研究,分析稳态和动态测试结果曲线可以得到如下结论:配方中增稠剂含量对膏体推进剂粘度和流动特性有显著影响,并且这种影响在不同剪切速率下表现一致。配方中氧化剂和还原剂的种类对样品粘度有明显调节作用,但在高剪切速率下这种调节作用减弱。动态测试结果表明,膏体推进剂的应力松弛过程与初始应变有关,初始应变越大,应力松弛过程速度越快,曲线也越陡。蠕变/恢复结果表明,在流动中膏体推进剂的粘性表现比弹性表现更明显。模拟液的流变测试结果显示增加固体颗粒含量在不同温度下都使样品粘度增加,但对储能模量和损耗模量等动态特性没有明显影响。温度对模拟液的影响同时表现在粘度和特征剪切速率两方面。 在总结现有膏体推进剂供给系统的基础上,针对姿控发动机应用特性提出了新型膏体推进剂供给方式,以转速控制代替截面控制达到流量调节的目的。为了验证新型供给方式,建立了模拟供给实验平台,并作为管道流动试验的供给系统。 对膏体推进剂及模拟液进行了管道流动试验,试验分两部分:一是PIV测速试验,得到了模拟液之一—丁羟(HTPB)圆管内速度分布,经比较与理论结果符合较好。二是推进剂及模拟液的管道测压试验,通过对直管输送研究,验证了沿程阻力系数与广义雷诺数的关系符合λ=64/Re_g;对突变截面和弯管道的研究表明,局部阻力系数与广义雷诺数的关系近似满足指数为-1的幂函数规律,随着雷诺数的增大,局部阻力系数减小。对于变截面管道,截面变化比β越接近1,局部阻力越小,对于弯管管道,弯径比d/R越大,局部阻力越小。通过拟合试验数据建立了局部阻力系数计算经验公式。综合流变学测试数据和管道流动数据,得到了膏体推进剂及模拟液的本构关系及相关参数。以0.001 1/s剪切速率下的粘度作为样品零剪切粘度,得到了不同温度下样品相对粘度与固体颗粒体积分率的关系:η/η_r=1+6.92φ+126.9φ~2,与文献表达式对比可以看出,膏体推进剂模拟液的相对粘度的增长随固体体积分率增长较快。 以直管道和变截面管道为研究对象,探讨了膏体推进剂管道流动数值模拟方法及过程,研究结果表明,在考虑了壁滑移特性后,数值仿真方法能较准确预测直管流动阻力,但对变截面管道局部阻力的预测与试验值相差较大。


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