一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法及系统，通过给定计算域，并对计算域内的固体推进剂内部进行铝颗粒及AP颗粒的随机装填，并通过燃烧仿真，判断铝颗粒滞留时间，使得燃面上铝颗粒粘接或逸出，并通过点火判断，判定团聚过程是否结束，得到含铝推进剂燃烧过程中凝相产物粒度特性，实现凝相产物粒径及分布快速精确预估，减少固体推进剂配方设计周期，降低固体推进剂配方设计成本，为固体火箭发动机性能分析提供基础。为固体火箭发动机性能分析提供基础。为固体火箭发动机性能分析提供基础。

【技术实现步骤摘要】
一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及固体推进剂性能分析领域，尤其是一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]固体火箭发动机为战略导弹、战术导弹及火箭弹等提供主要动力，能量较低是固体火箭发动机的主要限制因素。在固体推进剂中加入金属含能材料可以有效提高发动机的能量水平，且金属燃烧后的凝相氧化物颗粒可以有效抑制发动机工作过程中产生的燃烧振荡。
[0003]目前，铝粉以其高热值、高密度、安全无毒性等优点在固体推进剂中得到广泛使用。然而，含铝推进剂燃烧产生的凝相产物也给推进系统带来两相流比冲损失、燃烧室绝热层和喷管烧蚀加剧等不利影响。其中，凝相产物的尺寸及分布是发动机内两相流损失预估、高过载条件下固体火箭发动机内部的冲刷位置和冲刷程度预测、红外辐射特性仿真计算等推进系统性能评估的重要参数。
[0004]现阶段主要通过试验方法来获取凝相产物尺寸及分布，即通过高压燃烧室或缩比固体火箭发动机点火试验，结合高速摄影或激光测量等技术对羽流中凝相产物的粒径及分布进行测试，但试验方法具有试验周期长、成本高等缺点，因此，如何提高含铝复合推进剂凝相产物尺寸及分布特性的快速预测是急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法及系统，实现含铝复合推进剂凝相产物尺寸及分布特性的快速精准预测，同时减少固体推进剂配方的设计周期。
[0006]技术方案：本专利技术提供的一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法，包含以下步骤：
[0007](1)选定固体推进剂的计算域，同时采用随机装填方法对计算域进行铝颗粒及AP颗装填，获得固体推进剂在计算域内各个颗粒的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)和半径(r
i
)；
[0008](2)燃烧过程中，固体推进剂中的燃面具有退移方向，随时间t的增加，固体推进剂的燃面沿着退移方向燃烧，使得铝颗粒从粘合剂中暴露到燃面上，铝颗粒在燃面上发生滞留，滞留时间为t
d
；
[0009](3)判断滞留时间，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
大于临界滞留时间t
d0
时，则铝颗粒以初始逸出速度v0从燃面上逸出，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
小于临界滞留时间t
d0
时，则继续燃烧，当逸出过程中与其它铝颗粒发生接触，则铝颗粒与其他铝颗粒互相粘接，记为同一个珊瑚状的簇结构；
[0010](4)对铝颗粒或簇结构进行点火判断，判断铝粒子的团聚是否结束，若铝颗粒或簇结构触碰到了高于自身临界点火温度的火焰，则判定该颗粒成功点火，即团聚结束；若铝颗
粒或簇结构未触碰到临界点火温度的火焰，则继续团聚；
[0011](5)判断燃面是否沿退移方向燃烧至计算域底部，若燃面未燃烧至计算域底部，则重复步骤(2)至步骤(4)；若燃面燃烧至计算域底部，则计算结束；
[0012](6)对计算结果进行统计，获得计算域中单个颗粒是否参与团聚或每个簇结构中所含有的颗粒信息。
[0013]进一步的，步骤(1)中，随机装填方法为：计算域中共有N个铝颗粒和M个AP颗粒，为同一类的颗粒分配相同的增长速度a
i
，在计算中，颗粒的粒径在t时刻的为a
i
×
t，当计算时间t确定之后，a
i
×
t为所有颗粒的直径；在t＝0的初始时刻，在空间体积中分配N+M个坐标点，并给每个坐标点分配随机运动速度v
i
，坐标点上的颗粒的粒径均为0，进入t>0的粒径增长阶段，此时，颗粒以v
i
速度运动的同时粒径逐渐变大，彼此碰撞，每一对相互碰撞的两个颗粒，沿中心线方向反向对称移动，最终，颗粒填满立方体空间，颗粒彼此以适当位置卡住，颗粒不再移动或碰撞，此时装填过程结束，获得该组球体中心坐标(x
i
,y
i
,z
i
)以及半径r
i
。
[0014]进一步的，步骤(4)中，铝颗粒或簇结构的临界点火温度为：
[0015][0016]其中T
ign
为临界点火温度，D
p
为铝颗粒或簇结构的直径。
[0017]进一步的，步骤(6)中，颗粒信息包含凝相产物粒径及分布，考虑铝颗粒的燃烧，对凝相产物的粒径进行统计时进行修正：
[0018][0019]其中，D
i
为修正后凝相产物粒径，α为铝颗粒的燃烧效率，ρ
Al
为产物中活性铝的密度，为氧化铝的密度，M
Al
为产物中活性铝的摩尔质量，为氧化铝的摩尔质量，d
k
为第k个颗粒的直径，k为常数。
[0020]本专利技术对应提供一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真系统，包含计算域模块、滞留模块、逸出及粘接模块、点火判断模块、二次判断模块、统计模块；
[0021]计算域模块用以选定固体推进剂的计算域，同时采用随机装填方法对计算域进行铝颗粒及AP颗装填，获得固体推进剂在计算域内各个颗粒的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)和半径(r
i
)；
[0022]滞留模块用以产生滞留时间，燃烧过程中，固体推进剂中的燃面具有退移方向，随时间t的增加，固体推进剂的燃面沿着退移方向燃烧，使得铝颗粒从粘合剂中暴露到燃面上，铝颗粒在燃面上发生滞留，滞留时间为t
d
；
[0023]逸出及粘接模块用以判断滞留时间，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
大于临界滞留时间t
d0
时，则铝颗粒以初始逸出速度v0从燃面上逸出，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
小于临界滞留时间t
d0
时，则继续燃烧，当逸出过程中与其它铝颗粒发生接触，则铝颗粒与其他铝颗粒互相粘接，记为同一个珊瑚状的簇结构；
[0024]点火判断模块用以对铝颗粒或簇结构进行点火判断，判断铝粒子的团聚是否结束，若铝颗粒或簇结构触碰到了高于自身临界点火温度的火焰，则判定该颗粒成功点火，即
团聚结束；若铝颗粒或簇结构未触碰到临界点火温度的火焰，则继续团聚；
[0025]二次判断模块用以判断燃面是否沿退移方向燃烧至计算域底部，若燃面未燃烧至计算域底部，则重复滞留模块至点火判断模块；若燃面燃烧至计算域底部，则计算结束；
[0026]统计模块用以对计算结果进行统计，获得计算域中单颗粒是否参与团聚或每个簇结构中所含有的颗粒信息。
[0027]进一步的，计算域模块中，随机装填方法为：计算域中共有N个铝颗粒和M个AP颗粒，为同一类的颗粒分配相同的增长速度a
i
，在计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)选定固体推进剂的计算域，同时采用随机装填方法对计算域进行铝颗粒及AP颗装填，获得固体推进剂在计算域内各个颗粒的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)和半径(r
i
)；(2)燃烧过程中，固体推进剂中的燃面具有退移方向，随时间t的增加，固体推进剂的燃面沿着退移方向燃烧，使得铝颗粒从粘合剂中暴露到燃面上，铝颗粒在燃面上发生滞留，滞留时间为t
d
；(3)判断滞留时间，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
大于临界滞留时间t
d0
时，则铝颗粒以初始逸出速度v0从燃面上逸出，若铝颗粒在燃面上的滞留时间t
d
小于临界滞留时间t
d0
时，则继续燃烧，当逸出过程中与其它铝颗粒发生接触，则铝颗粒与其他铝颗粒互相粘接，记为同一个珊瑚状的簇结构；(4)对铝颗粒或簇结构进行点火判断，判断铝粒子的团聚是否结束，若铝颗粒或簇结构触碰到了高于自身临界点火温度的火焰，则判定该颗粒成功点火，即团聚结束；若铝颗粒或簇结构未触碰到临界点火温度的火焰，则继续团聚；(5)判断燃面是否沿退移方向燃烧至计算域底部，若燃面未燃烧至计算域底部，则重复步骤(2)至步骤(4)；若燃面燃烧至计算域底部，则计算结束；(6)对计算结果进行统计，获得计算域中单个颗粒是否参与团聚或每个簇结构中所含有的颗粒信息。2.根据权利要求1所述的含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法，其特征在于，步骤(1)中，随机装填方法为：计算域中共有N个铝颗粒和M个AP颗粒，为同一类的颗粒分配相同的增长速度a
i
，在计算中，颗粒的粒径在t时刻的为a
i
×
t，当计算时间t确定之后，a
i
×
t为所有颗粒的直径；在t＝0的初始时刻，在空间体积中分配N+M个坐标点，并给每个坐标点分配随机运动速度v
i
，坐标点上的颗粒的粒径均为0，进入t>0的粒径增长阶段，此时，颗粒以v
i
速度运动的同时粒径逐渐变大，彼此碰撞，每一对相互碰撞的两个颗粒，沿中心线方向反向对称移动，最终，颗粒填满立方体空间，颗粒彼此以适当位置卡住，颗粒不再移动或碰撞，此时装填过程结束，获得该组球体中心坐标(x
i
,y
i
,z
i
)以及半径r
i
。3.根据权利要求1所述的含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法，其特征在于，步骤(4)中，铝颗粒或簇结构的临界点火温度为：其中T
ign
为临界点火温度，D
p
为铝颗粒或簇结构的直径。4.根据权利要求1所述的含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真方法，其特征在于，步骤(6)中，颗粒信息包含凝相产物粒径及分布，考虑铝颗粒的燃烧，对凝相产物的粒径进行统计时进行修正：其中，D
i
为修正后凝相产物粒径，α为铝颗粒的燃烧效率，ρ
Al
为产物中活性铝的密度，
为氧化铝的密度，M
Al
为产物中活性铝的摩尔质量，为氧化铝的摩尔质量，d
k
为第k个颗粒的直径，k为常数。5.一种含铝复合推进剂中铝颗粒团聚过程仿真系统，其特征在于，包含计算域模块、滞留模块、逸出及粘接模块、点火判断模块、二次判断模块、统计模块；计算域模块用以选定固体推进剂的计算域，同时采用随机装填方法对计算域进行铝颗粒及AP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘梦莹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：