RESUMEN
Este estudio investiga los aspectos físicos clave implicados en las cuatro etapas de producción de propelentes (pasivación, amasado, colado y curado) mediante una combinación de experimentación y simulaciones numéricas.
En este estudio experimental, utilizando ingredientes de propelente HTPB como materias primas, se investiga en primer lugar la pasivación y deshidratación (mediante un proceso similar a la microebullición a presión reducida) de esta materia prima (N-butilnitroxietilnitramina, BuNENA). A continuación, se añaden otros materiales (incluidos líquidos y gránulos) a la materia prima pasivada y se mezclan en una amasadora vertical. La suspensión de propelente resultante se vierte después en un molde específico. Finalmente, se investigó la solidificación de las muestras de propelente formadas en el molde. En este estudio de simulación numérica, en primer lugar se estudió mediante simulación numérica el proceso de pasivación del material BuNENA (generación y movimiento de burbujas). A continuación, se investigó el proceso de mezclado del propelente en una amasadora vertical. Se estudiaron la uniformidad y las características de flujo del propelente HTPB en condiciones de agitación. Finalmente, se simuló el proceso de colado de la suspensión y, posteriormente, el curado del modelo de propelente colado.
Este trabajo comprende los siguientes contenidos de investigación:
(1) Se desarrolló un dispositivo experimental de pasivación y se llevaron a cabo experimentos utilizando un principio similar al de la microebullición a presión reducida. En el modelo de simulación de dinámica de fluidos, se aplicó un enfoque lagrangiano para rastrear la formación y el movimiento de las burbujas, que se modelaron como esferas rígidas sometidas a fuerzas de flotación y viscosidad. Para simular el fluido alrededor de las burbujas se utilizó un enfoque euleriano basado en el método multiescala variacional (VMS). Se analizó el movimiento de las burbujas. Mediante la combinación de métodos experimentales y de simulación, se analizó en detalle el proceso de pasivación del BuNENA, de gran relevancia en el ámbito de la pasivación de propelentes sólidos compuestos.
(2) Se utilizó un método de dinámica de fluidos computacional (CFD) para establecer un modelo digital de simulación del proceso de mezclado en una amasadora vertical. Se analizaron los cambios en distintas características relacionadas con el campo de flujo de la amasadora vertical. El rendimiento del mezclado de la suspensión de propelente en la amasadora se estudió mediante el desarrollo de un método de análisis del índice de uniformidad del mezclado. La precisión de los resultados de la simulación se verificó mediante experimentos reales de amasado, análisis SEM-EDS y ensayos de densidad.
(3) El proceso de colado al vacío se optimizó mediante la combinación de experimentos y simulaciones numéricas. En primer lugar, los ensayos reológicos permitieron identificar el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, y los parámetros del modelo de Herschel-Bulkley confirmaron las características de un fluido no newtoniano. Se utilizó el método de elementos finitos multiescala variacional para simular y analizar el proceso de colado al vacío de la suspensión de propelente HTPB. En segundo lugar, se estudiaron el caudal y la fuerza de impacto de las gotas bajo distintas presiones de vacío mediante la combinación de reconocimiento de imágenes en tiempo real, visión artificial y filtrado de Kalman.
(4) Finalmente, se estudió el modelo cinético de la reacción de curado del propelente HTPB mediante el método DSC no isotérmico. La distribución y evolución de la temperatura interna y del grado de curado del propelente durante el proceso de moldeo se analizaron mediante un modelo termoquímico. El gradiente de temperatura y la variación del tiempo de curado durante el proceso de curado del propelente se estudiaron mediante un método integrado basado en termopares.
Directores de tesis:
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- Prof. Riccardo Rossi
- Dr. Xiaolong Fu
DOCTORANDO
Zhiming Guo es doctorando del grupo de investigación Kratos Multiphysics, parte del clúster de investigación Cálculos multifísicos a gran escala.