مطالعه عددی عملکرد بستر کاتالیستی یک رانشگر تک‎مولفه‎‌ای تحت تأثیر ضریب تخلخل بستر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران

2 استادیار پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری

3 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد پژوهشگاه هوافضا

چکیده

در رانشگرهای تک‎مؤلفه‌ای هیدرازینی، هیدرازین پس از عبور از بستر کاتالیستی طی یک واکنش گرمازا به محصولات داغ گازی تجزیه می‎شود. در این مقاله، محفظه تجزیه یک رانشگر تک مولفه‌ای هیدرازینی، در مقیـاس دانه های تشکیل دهنده بستر، بصورت عددی مدل شده است و اثر پارامتر ضریب تخلخل بستر کاتالیستی که مهمترین پارامتر تاثیرگذار بر عملکرد محفظه تجزیه است، مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها بصورت دوبعدی متقارن محوری با لحاظ جریان پایا و در فاز گاز صورت گرفته است و دانه ‏های کاتالیست با قطر متوسط 1 میلی‌متر در سه ضریب تخلخل متفاوت 0/4، 0/55،0/65 در نظر گرفته شده اند و فشار ورودی محفظه تجزیه نیز 15 بار در نظر گرفته شده است. نتایج نشان داد که ضریب تخلخل تأثیر بسیار قابل توجه بر عملکرد بستر داشته به طوریکه با کاهش ضریب تخلخل، سطح تماس مؤثر برای انجام واکنش‌های شیمیایی افزایش می‌یابد که این موضوع، منجر به افزایش تجزیه هیدرازین شده، و سبب بهبود عملکرد بستر کاتالیستی خواهد شد. همچنین با کاهش این ضریب، دمای بستر و دمای دیواره بیرونی افزایش و دبی جرمی عبوری کاهش می‌یابد. کاهش ضریب تخلخل بستر از0/65 تا 0/4، سبب حدود 40% افت فشار بستر نسبت به فشار ورودی اولیه و همچنین حدود 40% کاهش در دبی جرمی عبوری از بستر می‎گردد. بنابراین بررسی این پارامتر می‌تواند کمک شایانی به محققین در تعیین و بهینه سازی راندمان محفظه تجزیه بنماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Study of Catalyst Bed Performance of a Monopropellant Thruster Under Influence of Porosity Coefficient

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Salimi 1
  • Hadiseh Karimaei 2
  • Mostafa Gholampour Yazdi 3
1 Ari
2 Ari
3 Ari
چکیده [English]

Hydrazine monopropellant thrusters are commonly used in the situation control and orbital transmission systems of satellites and space crafts. In these thrusters, hydrazine is decomposed into a hot gas product after passing through the catalyst bed during an exothermic reaction. The decomposition chamber of a monopropellant thruster is numerically modeled at the pore scale. Then the effect of catalyst bed porosity coefficient, which is the most important parameter affecting the performance of the decomposition chamber, is investigated. Simulations were performed in two-dimensional axial symmetry as the steady flow in the gas phase. Catalyst granules with an average diameter of 1 mm with three porosity coefficients of 0.4, 0.55, and 0.65 have been considered and the inlet pressure of the decomposition chamber has been considered to 15 bar. The results showed that the porosity coefficient has a very significant effect on the performance of the catalyst bed so that by decreasing this coefficient, the decomposition of hydrazine increases, the bed temperature, and outer wall temperature increase, and the mass flow rate decreases. Reducing the bed porosity coefficient from 0.65 to 0.4 causes about a 40% drop in the bed pressure compared to the initial inlet pressure and also about a 40% reduction in the mass flow rate through the bed. Therefore, the study of this parameter can greatly help the researchers in determining and optimizing the efficiency of the decomposition chamber.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrazine thruster
  • Catalyst bed
  • Decomposition chamber
  • Porosity coefficient
  • Pore scale

مراجع

[1] A.S. Kersten, Analytical and experimental studies of the transient behaviour of catalytic reactor for hydrazine decomposition, UARL Contract NAS 7-458 , 1969.
[2] A. Crespo, Steady state Analysis of Hydrazine Catalytic Thrusters for Different Types of Catalysts, Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial Madrid (Spain),1976.
[3] G. Schulz‐Ekloff, HG. Deppner, Modelling and simulation of monopropellant hydrazine thrusters for spacecraft position control. Chemical engineering & technology, 12(1) (1989) 426-32.
[4] A. Pasini, L. Torre, L. Romeo, A. Cervone, L. d’Agostino, Reduced-Order Model for H2O2 Catalytic Reactor Performance Analysis. Journal of Propulsion and Power, 26(3) (2010) 446-453.
[5] B. Hou, X. Wang, T. Li, and T. Zhang, Steady-State Behavior of Liquid Fuel Hydrazine Decomposition in Packed Bed, AIChE Journal, 61(3) (2014) 1064-1080.
[6] T. Zhang, G. Li, Y. Yu, J. Chen, M. Wang, Effects of catalytic bed thermal characteristics on liquid monopropellant decomposition and combustion characteristics within an eco-friendly thruster based on ammonium dinitramide. Combustion Science and Technology, 188(6) (2016) 910-923.
[7] S. Jung, S. Choi, S. Kwon, Design Optimization of Green Monopropellant Thruster Catalyst Beds Using Catalytic Decomposition Modeling, 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2017, Atlanta, GA.
[8]M.R. Salimi, H. Karimaei, Making Catalyst and Preparing Catalyst Bed for Hydrazine Decomposition in LowThrust Monopropellant Thrusters. Journal of Technology in Aerospace Engineering, 2(4) (2018) 17-25. (in persian)
[9] S. Pakdehi, F. Shirvani, R. Zolfaghari, A thermodynamic study on catalytic decomposition of hydrazine in a space thruster. Archives of Thermodynamics, 40(4) (2019) 151-166.
[10]L. Zhou, Z.G. Qu, L. Chen, W.Q. Tao, Lattice Boltzmann simulation of gas–solid adsorption processes at pore scale level. Journal of Computational Physics, 300(4) (2015) 800-813.
[11]M.R. Salimi, M. Taeibi Rahni, F. Jam, Pore-scale simulation of fluid flow passing over a porously covered square cylinder located at the middle of a channel, using a hybrid MRT-LBM–FVM approach. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 29(3) (2015) 171-191.
[12] Q. Zhu, Y. Xuan, Pore scale numerical simulation of heat transfer and flow in porous volumetric solar receivers. Applied Thermal Engineering, 120(1) (2017) 150-159.
[13] V. Shankar, A.K. Ram, K.A. Bhaskaran, Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products Along a Granular Catalystic Bed.  Acta Astronautica, 11(6) (1984) 287–299.
[14] CH. Hwang, SN. Lee, SW. Baek, CY. Han, SK. Kim, MJ. Yu, Effects of catalyst bed failure on thermo chemical phenomena for a hydrazine monopropellant thruster using Ir/Al2O3 catalysts. Ind Eng Chem Res., 51(15) (2012) 5382–5393.
[15] CH. Hwang, SW. Baek, SJ. Cho, Experimental investigation of decomposition and evaporation characteristics of HAN-based monopropellants. Combust Flame, 161(4) (2014) 1109–1116.
[16] Z.G. Gao, G.X. Li, T. Zhang, X.H. Liu, Z.H. Wang, X. Liu, Numerical simulation for the decomposition of DT-3 in a monopropellant thruster,Aerospace Science and Technology. 74(1) (2018) 132-144
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 7
مهر 1401
صفحه 1607-1622

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار