基于含能材料的同向双螺杆挤出大型机的研究
固体推进剂是具有特定性能的含能复合材料，作为长征系列运载火箭动力的重要组成部分，其生产需求正在不断地扩大。因此，加大对含能材料用大型双螺杆挤出机的研究力度刻不容缓。基于双螺杆数值模拟和实验样机代料实验，本文按照实验样机设计模拟-实验样机实验验证-相似放大-大型机设计模拟的思路进行研究，以探究实验样机和大型机混合过程中的安全性和混合性能。本文主要研究内容如下: (1)为保证螺杆混合过程中的安全性和混合性能，对双螺杆挤出实验样机螺杆的各功能段进行设计，确定实验样机螺杆的主要参数。根据螺杆各功能段的局部功能设计用于实验样机混合排气计量段的SE元件和KB元件，利用这两种螺杆元件组成四种不同的螺杆构型。为探究四种螺杆构型的安全性和混合性能，对四种螺杆构型的流场进行数值模拟，获得混合过程流场的压力、最大剪切应力、最大粘性耗散功率、加权平均剪切应力、累积最大剪切应力、平均回流系数以及累积停留时间。在此基础上优选出安全性和混合性能优良的T2螺杆构型以用于后续代料实验研究。 (2)使用模拟分析与实验研究相结合的方法研究螺杆转速对混合排气计量段流场的影响，采用平均回流系数以及累积停留时间对模拟结果进行评价，采用测试AL含量法对代料实验挤出样品进行质量评价，模拟分析与实验研究结果都表明三种不同螺杆转速流道中药浆的分布混合性能关系为:30rpm＞40rpm＞20rpm，验证了实验样机性能达到设计要求。 (3)为实现实验样机到大型机的相似放大，使用几何相似放大、容积相似放大及恒定剪切速率相似放大建立了相似放大模型，得到了大型机放大后的螺杆构型、螺杆间隙及螺杆的主要参数。为探究放大后大型机的安全性和混合性能，对大型机三维建模、网格划分后进行等温数值模拟，并在此基础上与实验样机数值模拟结果进行对比分析。结果表明:相似放大后的大型机相较实验样机拥有相当的安全性能和分布混合性能，大型机分散混合性能明显好于实验样机。 (4)为探究工艺参数对螺杆混合过程中安全性和混合性能的影响程度，选用大型机放大后的混合排气计量段螺杆构型，并结合数值模拟方法，使用正交试验进行探究。正交试验选用螺杆间隙、螺杆转速和加料量作为试验因素，选取的每个因素对应3个水平，采用了L9(33)正交表。结果表明，三种因素对螺杆安全性和混合性能的影响程度为:螺杆转速＞螺杆间隙＞加料量，螺杆转速对螺杆的安全性及混合性能影响最大。
火箭固体推进剂;双螺杆挤出机;混合过程;性能表征;含能材料
北京化工大学
硕士
机械工程
张亚军
2020
中文
V512
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）