RESUM
Aquest estudi investiga els aspectes físics clau implicats en les quatre etapes de producció de propel·lents (passivació, amassat, colada i curat) mitjançant una combinació d’experimentació i simulacions numèriques.
En aquest estudi experimental, utilitzant ingredients de propel·lent HTPB com a matèries primeres, s’investiga en primer lloc la passivació i la deshidratació (mitjançant un procés similar a la microebullició a pressió reduïda) d’aquesta matèria primera (N-butilnitroxietilnitramina, BuNENA). A continuació, s’hi afegeixen altres materials (inclosos líquids i grànuls) i es barregen en una amassadora vertical. La suspensió de propel·lent resultant s’aboca posteriorment en un motlle específic. Finalment, s’investiga la solidificació de les mostres de propel·lent formades al motlle. En aquest estudi de simulació numèrica, en primer lloc es va estudiar mitjançant simulació numèrica el procés de passivació del material BuNENA (generació i moviment de bombolles). A continuació, es va investigar el procés de barreja del propel·lent en una amassadora vertical. Es van estudiar la uniformitat i les característiques de flux del propel·lent HTPB en condicions d’agitació. Finalment, es va simular el procés de colada de la suspensió i, posteriorment, el curat del model de propel·lent colat.
Aquest treball comprèn els continguts de recerca següents:
(1) Es va desenvolupar un dispositiu experimental de passivació i es van dur a terme experiments utilitzant un principi similar al de la microebullició a pressió reduïda. En el model de simulació de dinàmica de fluids, es va aplicar un enfocament lagrangià per rastrejar la formació i el moviment de les bombolles, que es van modelar com a esferes rígides sotmeses a forces de flotació i viscositat. Per simular el fluid al voltant de les bombolles es va utilitzar un enfocament eulerià basat en el mètode multiescala variacional (VMS). Es va analitzar el moviment de les bombolles. Mitjançant la combinació de mètodes experimentals i de simulació, es va analitzar detalladament el procés de passivació del BuNENA, de gran rellevància en l’àmbit de la passivació de propel·lents sòlids compostos.
(2) Es va utilitzar un mètode de dinàmica de fluids computacional (CFD) per establir un model digital de simulació del procés de barreja en una amassadora vertical. Es van analitzar els canvis en diverses característiques relacionades amb el camp de flux de l’amassadora vertical. El rendiment de la barreja de la suspensió de propel·lent a l’amassadora es va estudiar mitjançant el desenvolupament d’un mètode d’anàlisi de l’índex d’uniformitat de la barreja. La precisió dels resultats de la simulació es va verificar mitjançant experiments reals d’amassat, anàlisis SEM-EDS i assaigs de densitat.
(3) El procés de colada al buit es va optimitzar mitjançant la combinació d’experiments i simulacions numèriques. En primer lloc, els assaigs reològics van permetre identificar el comportament d’aprimament per cisallament, i els paràmetres del model de Herschel-Bulkley van confirmar les característiques d’un fluid no newtonià. Es va utilitzar el mètode d’elements finits multiescala variacional per simular i analitzar el procés de colada al buit de la suspensió de propel·lent HTPB. En segon lloc, es van estudiar el cabal i la força d’impacte de les gotes sota diferents pressions de buit mitjançant la combinació de reconeixement d’imatges en temps real, visió artificial i filtratge de Kalman.
(4) Finalment, es va estudiar el model cinètic de la reacció de curat del propel·lent HTPB mitjançant el mètode DSC no isotèrmic. La distribució i l’evolució de la temperatura interna i del grau de curat del propel·lent durant el procés de modelatge es van analitzar mitjançant un model termoquímic. El gradient de temperatura i la variació del temps de curat durant el procés de curat del propel·lent es van estudiar mitjançant un mètode integrat basat en termoparells.
Directors de tesi:
-
- Prof. Riccardo Rossi
- Dr. Xiaolong Fu
DOCTORAND
Zhiming Guo és doctorand del grup de recerca Kratos Multiphysics, part del clúster de recerca Càlculs multifísics a gran escala.