Моделирование горения твердого топлива на основе перхлората аммония и полибутадиена в условиях гипотетического двигателя


DOI: 10.34759/tpt-2023-15-6-276-287

Авторы

Шайдуллин Р. А.*, Сабирзянов А. Н.**

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия

*e-mail: samsankimanki@bk.ru
**e-mail: ansabirzyanov@kai.ru

Аннотация

Представлен краткий обзор моделей для численного моделирования процессов горения твердого топлива. Проработаны варианты описания процесса горения твердого топлива на основе перхлората аммония и полибутадиена с гидроксильными концевыми группами с применением реактора идеального смешения и при численном моделировании в камере сгорания ракетного двигателя с совместным решением уравнений газовой динамики. Представлены результаты численного анализа процесса горения смесевого твердого топлива в составе гипотетического двигателя. Обоснованно допущение для численного моделирования горения смесевого твердого ракетного топлива в осесимметричной постановке. Показано распределение числа Дамкелера в объеме камеры сгорания.

Ключевые слова:

твердое ракетное топливо, горение смесевого безметального твердого топлива, моделирование горения в ракетном двигателе, химическая кинетика

Библиографический список

  1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник. Т. 1. Методы расчета / под ред. В.П. Глушко. Москва: ВИНИТИ АН СССР, 1971. 266 с.

  2. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: справочник. Москва: Машиностроение, 1988. 240 c.

  3. Gordon S., McBride B.J. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium composition, rocket performance, incident and reflector shock and Chapman-Jouguet detonations. NASA report SP, 1971. 242 р.

  4. Warnats J., Maas U., Dibble R.W. Combustion. Physical and chemical fundamentals, modeling and simulation, experiments, pollutant formation. New York: Springer, 2001. 378 p.

  5. Gardiner W., Dixon-Lewis G., Zelner R. et al. Combustion chemistry. New York: Springer-Verlag, 1984. 509 p.

  6. Beckstead M.W., Puduppakkam K., Thakre P., Yang V. Modeling of combustion and ignition of solid-propellant ingredients // Progress in Energy and Combustion Science. 2007. Vol. 33. No. 6. P. 497–551. DOI:10.1016/j.pecs.2007.02.003

  7. Jeppson M.B., Beckstead M.W., Jing Q. A kinetic model for the premixed combustion of a fine AP/HTPB composite propellant // 36th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, AIAA-98-0447. 1998. DOI:10.2514/6.1998-447

  8. Jackson T.L., Buckmaster J. Heterogeneous propellant combustion // AIAA Journal. 2002. Vol. 40. No. 6. P. 1122–1130. DOI:10.2514/2.1761

  9. Thakre P., Duan Y., Yang V. Modeling of ammonium dinitramide (AND) monopropellant combustion with coupled condensed and gas phase kinetics // Combustion and Flame. 2014. Vol. 161. No. 1. P. 347–362. DOI:10.1016/j.combustflame.2013.08.006

  10. Cai W.D. Thakre P., Yang V. Model of AP/HTPB composite propellant combustion in rocket motor environments // Combustion Science and Technology. 2008. Vol. 180. No. 12. P. 2143–2169. DOI:10.1080/00102200802414915

  11. Beckstead M.W., Derr R.L. Price C.F. A model of composite solid propellant combustion based on multiple flames // AIAA Journal. 1970. Vol. 8. No. 4. P. 2200–2207. DOI:10.2514/3.6087

  12. Guirao C., Williams F.A. A model for ammonium perchlorate deflagration between 20 and 100 atm // AIAA Journal. 1971. Vol. 9. No. 7. P. 1345–1356. DOI:10.2514/3.6355

  13. Miller R.R. A framework for a totally statistical composite propellant combustion model // 19th JANNAF Combustion Meeting. 1982. CPIA #366. pp. 81–92.

  14. Thakre P., Yang P. Chemical erosion of refractory-metal nozzle insert in solid-propellant rocket motors // Journal of Propulsion and Power. 2009. Vol. 25. No. 1. P. 40–50. DOI:10.2514/6.2008-1030

  15. Behrens R., Minier L. Thermal decomposition behavior of ammonium perchlorate and of a ammonium-perchlorate-based composite propellant // 33th JANAF Combustion Meeting. 1996. CPIA #653, pp. 1-19. DOI: 10.2172/653952

  16. Суржиков С.Т., Краер Х. Вычислительные модели горения неметаллизированного гетерогенного ракетного топлива // Теплофизика высоких температур, 2003. Т. 41. № 1. С. 106–142.

  17. Сорокин В.А., Козлов В.А., Шаров М.С. Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах. Основы проектирования и экспериментальной отработки. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 320 с.

  18. Davidson J.E. Combustion modeling of RDX, HMX, and GAP with detailed kinetics: Ph. D. Dissertation, Department of Chemical Engineering, Brigham Young University, Provo, UT, 1997. 173 p.

  19. Hightower J.D, Price E.W. Combustion of ammonium perchlorate // Symposium (International) on Combustion. 1967. Vol. 11. No. 1. P. 463–472. DOI:10.1016/S0082-0784(67)80171-1

  20. Коробейничев О.П., Чернов А.А., Емельянов И.Д., Ермолин Н.Е., Трофимичева Т.В. Исследование кинетики и механизма химических реакций в пламени смесевого состава на основе ПХА и полибутадиенового каучука // Физика горения и взрыва. 1990. № 3. С. 46–55.

  21. Коробейничев О.П., Ермолин Н.Е., Чернов А.А., Емельянов И.Д. Структура пламени, кинетика и механизм химических реакций в пламени смесевого состава на основе перхлората аммония и полибутадиенового каучука // Физика горения и взрыва. 1992. № 4. С. 53–59.

  22. Ермолин Н.Е. Модель кинетики химических реакций в пламенах хлорной кислоты с аммиаком // Физика горения и взрыва. 1995. № 5. С. 58–69.

  23. Gross M.L. Two-dimensional modeling of AP/HTPB utilizing a vorticity formulation and one-dimensoinal modeling of AP and AND: Ph. D. Dissertation, Department of Chemical Engineering, Brigham Young University, Provo, UT, 2007. 244 p.

  24. Фролов Ю.В., Зенин А.А., Яковлев В.П. Горение перхлората аммония в слоевой системе // Физика горения и взрыва. 1969. № 4. С. 544–549.

  25. Powling J., Smith W.A.W. The surface temperature of burning ammonium perchlorate // Combustion and Flame. 1963. Vol. 7. No. 1. P. 269–275. DOI: 10.1016/0010-2180(63)90192-5

  26. Selzer H. The temperature profile beneath the burning surface of a composite ammonium perchlorate propellant // Symposium (International) on Combustion. 1967. Vol. 11. No. 1. P. 439–446. DOI: 10.1016/s0082-0784(67)80168-1

  27. Beck W.H. Pyrolysis studies of polymeric materials used as binder in composite propellants: a review // Combustion and Flame. 1987. Vol. 70. No. 2. P. 171–190. DOI: 10.1016/0010-2180(87)90077-0

  28. Bouck L., Baer A., Rayn N. Pyrolysis and oxidation of polymers at high heating rates // Symposium (International) on Combustion. 1973. Vol. 14. No. 1. P. 1165–1176. DOI: 10.1016/S0082-0784(73)80105-5

  29. Ninan K.N., Krishnan K. Thermal decomposition kinetics of polybutadiene // Journal of Spacecraft and Rocket. 1982. Vol. 19. No. 1. P. 92–94. DOI: 10.2514/3.62213

  30. Gran I.R., Magnussen B.F. A numerical study of a bluff-body stabilized diffusion flame. Part 2. Influence of combustion modeling and finite-rate chemistry // Combustion Science and Technology. 1996. Vol. 119. No. 3. P. 191–217. DOI: 10.1080/00102209608951999

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024