羟基封端聚丁二烯（HTPB）推进剂的流动特性模拟与参数优化：共振声学混合技术研究

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Flow characteristics simulation and parameter optimization of hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) propellants resonant acoustic mixing

通过实验-数值模拟结合方法，研究HTPB推进剂浆料在共振声混合中的流动特性与优化参数。建立VOF-DPM耦合模型，验证模型可靠性后，基于Poincare截面与分离尺度分析，结合压力时序 chaotic分析，优化获得加速度50g、填充率60%、真空度9kPa的最佳参数组合，使浆料密度偏差降至0.44%。

　　

朱师傅|傅小龙|马宁|李博浩|刘红星|张鹏超|刘静|谢中原

西安现代化学研究所，中国西安710065

摘要

为了研究HTPB推进剂浆料在声共振混合过程中的物料流动特性并优化工艺参数，首先进行了流变实验，以确定最适合HTPB推进剂浆料的非牛顿流变方程。然后建立了一个体积流体（VOF）-离散相模型（DPM）流动模型，结合了实验和数值模拟方法。通过VOF模型解决了振动条件下的浆料流动特性，而DPM模型则跟踪了推进剂浆料微粒的迁移过程。通过对推进剂浆料流动状态和压力时间序列的可视化以及测试实验，从定性和定量上验证了数值模型的可靠性。通过分析推进剂浆料混合过程的庞加莱截面和分离尺度，并结合压力时间序列混沌分析，优化了推进剂浆料的共振声混合过程，并获得了最佳混合参数。计算了不同工作条件下不同位置的浆料密度偏差，并建立了分离尺度与密度偏差之间的预测关系，从而验证了优化工艺参数的准确性。同时考虑了不同操作条件下的混合功率消耗。结果表明，对于固体含量为77%的HTPB推进剂，实验和模拟的物料流动条件吻合良好。最佳加速度为50g，填充率为60%，真空度为9 kPa，混合样品的密度偏差可低至0.44%，满足工艺要求。

引言

作为现代航空航天技术的重要组成部分，HTPB推进剂对人类探索宇宙、深入理解地球以及促进科技进步具有重要意义。复合固体推进剂主要由聚合物粘合剂、氧化剂、金属燃料、硬化剂、增塑剂和其他功能性添加剂组成。它是一种典型的粘弹性非牛顿流体，具有粘弹性和弹性体的双重特性[1]，[2]。

在固体推进剂的制造过程中，物料混合是核心工艺之一。对于复合固体推进剂，混合过程通常是指将颗粒分散相（如高氯酸铵、环四亚甲基四硝胺、六硝基苯和铝粉）加入由液体组分（如聚合物粘合剂、固化剂和增塑剂）组成的连续相中。混合过程对推进剂的燃烧和机械性能有显著影响，进而影响发动机的燃烧性能、使用寿命和服务安全性[3]，[4]。共振声混合技术作为一种新型无桨混合技术，近年来得到了广泛关注，它克服了传统垂直搅拌工艺的缺点，如剪切刺激和混合效率低等问题[5]，[6]。现有研究通过实验探讨了不同工艺参数对混合过程的影响，但关于声共振混合过程中推进剂材料流动特性与混合效果之间关系的报道较少。此外，推进剂混合过程还存在成本高、工艺条件难以控制、研究周期长以及安全隐患隐蔽等问题。近年来，许多学者通过数值模拟对混合过程进行了模拟，并取得了一系列进展，克服了实验的不便。在共振声混合过程中，空气和高粘度流体在容器中共存。体积流体（VOF）模型用于模拟液气相界面，而离散相模型（DPM）则在拉格朗日坐标系中跟踪固体颗粒。VOF和DPM模型已在声共振混合研究中得到广泛应用[7]，[8]，[9]。表1总结了现有研究的主要成果。

西安交通大学通过多物理场耦合和离散元模拟，为颗粒和流体等不同材料系统建立了从宏观到介观尺度的数值模型，从而更好地模拟振动流场[10]，[11]，[12]。数值模拟已成为研究不同领域混合特性的可靠方法[13]，[14]，[15]。上述研究为HTPB推进剂在声共振混合中的流场特性和工艺参数优化提供了良好的参考。

本文结合实验和数值模拟，研究了HTPB推进剂浆料在共振声混合过程中的物料流动和压力波动特性。通过分析推进剂浆料混合过程的庞加莱截面和分离尺度，并结合压力时间序列混沌分析，优化了推进剂浆料的共振声混合过程。结果通过不同位置的密度采样测试得到了验证。

实验装置

图1展示了声振动混合系统和实验现场布局。一个直径为70毫米、高度为100毫米的容器固定在振动设备上，以0–70g的受控加速度垂直振动。在高强度振动的作用下，推进剂表面发生波动，内部物料开始流动并逐渐均匀混合。共振声混合装置的实时电压、电流和功率参数进一步

模型验证

为了评估CFD模型的准确性，使用高速摄像机以每秒1200帧的频率，在60 Hz和40g的振动加速度条件下捕捉推进剂浆料的流动状态。图像数据传输到计算机进行图像分析。图4显示了2秒、8秒、20秒和40秒时的流动状态和表面状态。绿色部分表示数值模拟中的推进剂浆料水平。2秒时推进剂浆料表面相对稳定，有少量

结论

本文通过实验和数值模拟研究了HTPB推进剂浆料在声共振条件下的流动特性，并优化了主要工艺参数。结果表明，浆料表面发生波动甚至破裂，内部出现了不同尺度的环形盆地。

作者贡献声明

张鹏超：指导。 刘红星：方法论。 李博浩：验证、软件。 马宁：调查、形式分析。 谢中原：方法论。 刘静：指导。 朱师傅：撰写——初稿、可视化、验证、软件、形式分析、数据整理、概念化。 傅小龙：撰写——审稿与编辑、资金筹集、形式分析

利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52475126）的支持。