基于分子建模与喷管流动模拟的新型推进剂氧化剂性能分析
高能物理 - 实验
2022-03-23 v2 应用物理
摘要
本文的主要目标是借助分子建模计算与超声速流动模拟，提出有望用作推进应用中氧化剂的新化合物。碳基杂环化合物往往具有应变分子结构，从而导致高生成焓与含能特性。本工作中，给出了 37 种此类潜在推进剂氧化剂的分子建模计算。采用密度泛函理论（B3LYP）结合 6-311++G(d,p) 基组对所提分子结构进行几何优化。利用分子建模结果计算了化合物的生成焓。考虑了以所提化合物为氧化剂组分的适当推进剂配方，并假设等熵流动（由 NASA CEA 软件包计算），针对每种配方计算了理想比冲（Ivac,ideal*）。为预测实际交付比冲（Ivac,act*），使用 OpenFOAM 对各推进剂配方的平衡产物气体进行了超声速喷管流动模拟。采用了包含基于快速畸变理论（RDT）压缩项的可压缩流动标准 k-epsilon 湍流模型。由于问题本质上的瞬态特性，进一步实施了局部时间步进（LTS）方法以求得稳态解。这些模拟考虑了发散损失、湍流损失与边界层损失，给出了更为现实的比冲估计。观察到所有推进剂配方的 Ivac,act* 介于相应理想值的 88% 至 91% 之间。与高氯酸铵相比，新提出的氧化剂在推进性能上表现出显著改善。
引用
@article{arxiv.2202.00107,
title = {Performance Analysis of Novel Propellant Oxidizers using Molecular Modelling and Nozzle Flow Simulations},
author = {Pujan Biswas and Sudarshan Kumar and Neeraj Kumbhakarna},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.00107},
year = {2022}
}