hypergolic phenomena based on innovative thermo-fluid analysis considering detailed reaction mechanism in liquid phase

基于考虑液相详细反应机制的创新热流体分析的自热现象

基本信息

批准号：
22H01725
负责人：
伊里友一朗
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は，第一原理から構築された液相の詳細化学反応機構(素反応・その速度定数・化学種全ての熱力学データのモデリング技術を含む)と数値流体シミュレーションをカップリングさせた反応性熱流体解析に関する学術基盤を確立し，化学/物理現象が複雑に相互作用する高速過渡的現象である宇宙機用推進剤の自着火現象を本質的に理解し，その能動的制御を達成することである．2022年度には、従来の量子力学/連続誘電体モデル(QM/PCM)法に基づいたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の詳細反応機構に拡散過程を取り込んだ詳細反応モデルを構築することができた。当該モデルを用いて自着火反応をシミュレーションしたところ、打撃感度が高い爆発性の中間体が生成することがわかり、この中間体生成が衝撃波を伴うような激しい着火現象の原因の一つとして考えられた。これまで理論的課題があったQM/PCM法を利用した溶液中化学種に関する熱力学データ推算についても理論を見直し、計算精度向上を達成した。これはQM/PCM法の枠組みを利用することで、これまで不可能であった溶液中化学種のエントロピーを高精度に推算する方法であり、これを詳細反応モデリングへ適用することができれば液相反応シミュレーション精度を大きく向上させられることが期待できる。加えて粒子法を用いたヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合に関するシミュレーションを試行し、同系の液滴/プール衝突実験に関する高速度撮影結果と比較することで、衝突挙動をよく模擬できることを見出した。

The purpose of this research is to establish an academic foundation for reactive thermal fluid analysis, which is coupled with the detailed chemical reaction mechanism of liquid phase constructed from the first principle (including modeling techniques for thermodynamic data of elementary reactions, their rate constants, and chemical species) with computational fluid simulations, and to essentially understand the autoignition phenomenon of spacecraft propellants, a fast transient phenomenon in which chemical/physical现象以复杂的方式相互作用并实现主动控制。在2022年，我们能够构建一个详细的反应模型，该模型将扩散过程纳入基于常规量子力学/连续介电模型（QM/PCM）方法的肼/氮四氧化物混合系统的详细反应机理。当使用该模型模拟自动登记反应时，发现产生具有高影响力灵敏度的爆炸性中间体，并且这种中间形成被认为是强烈的点火现象的原因之一，例如冲击波。还使用QM/PCM方法对溶液中化学物种的热力学数据估算进行了综述，该方法以前是理论上的问题，并提高了计算精度。这是一种估算溶液中化学物种熵的方法，以前通过使用QM/PCM方法的框架，以前不可能具有很高的准确性，并且如果可以将其应用于详细的反应建模，则可以预期，液相反应模拟的准确性将得到极大的提高。此外，我们尝试使用粒子方法对氢氮/氮四氧化液滴/池碰撞混合进行模拟，并将其与类似的液滴/池碰撞实验的高速成像结果进行了比较，并发现可以很好地模拟碰撞行为。