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研究生: 郭俊淇
Guo, Jyun-Ci
論文名稱: W2(煤油基)/過氧化氫推進劑液旋噴注機構之自燃特性分析
The Characterization of Autoignition Using Liquid Cyclonic Injector for H2O2/W2 (Kerosene Base) Propellant System
指導教授: 袁曉峰
Yuan, Tony
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 58
中文關鍵詞: W2煤油基燃料過氧化氫自燃點火液旋噴注機構點火延遲時間點火特性
外文關鍵詞: W2, kerosene-based fuel, hydrogen peroxide, auto-ignition, liquid-cyclonic injector, ignition delay, hypergolic phenomena
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  • W2燃料與過氧化氫推進劑組合具便宜、低毒性及自燃等特性;而液旋式噴注機構因其構造簡單且可於空腔內混合推進劑,故適合與W2/H2O2這類具較長點火延遲時間的準自燃推進劑組合搭配。本研究針對液旋式噴注機構的空腔幾何外形及噴注操作條件與熱燃點火特性的關係進行研究。實驗結果顯示在總流量3g/s~8g/s、O/F=1~4的操作範圍內,內徑小於10mm的噴注機構點火延遲時間較長,且不穩定;而內徑10mm之噴注機構,可在總流量6g/s~7g/s,O/F=4操作條件下,因足夠空腔體積及匹配的反應釋熱速率,具較短且固定的點火延遲時間(6g/s:1.6秒,7g/s:1.1秒)。實驗結果亦顯示,在此操作條件下,將噴注機構內空腔長度由30mm加長至60mm,有助於縮短點火延遲。另外,H2O2/W2燃燒後附著於噴注機構內壁之生成物有助於反應,可縮短點火延遲並擴展可點火範圍。整體實驗結果顯示,液旋式噴注機構與H2O2/W2的搭配是具發展潛力的雙基綠色火箭推進之噴注機構設計。

    The combination of W2 (kerosene-based fuel) and hydrogen peroxide is kind of cheap, low toxicity and hypergolic propellant. Due to the simple configuration and which could mix propellant in the internal space, liquid-cyclonic injector could be the corresponding design for semi-hypergolic propellant such as H2O2/W2. In this research, the correlation of injector geometries, operation conditions, and hypergolic phenomena are discussed. The results show that longer ignition delay and unstable flame occurred where the inner diameter of injector under 10mm. Because of enough inner space and suitable heat releasing rate, more stable and shorter ignition delay occurred (6g/s:1.6sec, 7g/s:1.1sec) at the operation conditions which total flow rate are 6g/s~7g/s and O/F=4. The results also show that increasing of internal space of injection by lengthening injector from 30mm to 60mm encourage quick and stable ignition. In addition, the shorter ignition delay and wider ignition range are observed when the combustion products attached on wall of injector because they promote the decomposition of H2O2 and the heat release rate. In summary, the combination of liquid-cyclonic injector and H2O2/W2 is a potential design for green bipropellant rocket.

    摘要 i 誌謝 vii 目錄 viii 表目錄 x 圖目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 5 第二章 研究方法 7 第三章 實驗設備 9 3.1 推進劑組合 9 3.2 過氧化氫純化設備系統 9 3.3 推進劑流量控制系統 10 3.4 資料擷取系統 11 3.5 點火實驗攝影系統 11 第四章 實驗結果與討論 12 4.1噴注機構的冷流現象與點火之概述 12 4.1.1液旋噴注機構設計原理 12 4.1.2噴注機構冷流現象觀察 12 4.1.3噴注機構點火實驗現象之概述 14 4.2噴注機構內徑變化與點火穩定性之關聯研究 15 4.2.1內徑6mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構點火觀察 15 4.2.2內徑8mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構點火觀察 16 4.2.3內徑8mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構點火觀察 17 4.2.4內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構點火觀察 17 4.3噴注機構點火實驗之特性研究 18 4.3.1噴注機構內壁清潔與未清潔對點火實驗的影響 18 4.3.2噴注機構內部空間對點火延遲時間的影響 20 4.3.3噴注機構之推進劑流量對點火延遲時間的影響 21 4.3.4 噴注機構之O/F對點火延遲時間的影響 22 第五章 結論與未來工作 24 5.1 結論 24 5.2 未來工作 25 參考文獻 26 表一、內徑6mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構點火實驗條件與結果 27 表二、內徑8mm (0.4mm噴注孔徑)點火實驗條件與結果 28 表三、內徑8mm (0.3mm噴注孔徑)點火實驗條件與結果 29 表四、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,未清潔)點火實驗條件與結果 30 表五、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構未清潔與有清潔內壁之實驗結果 33 表六、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,有清潔內壁)噴注機構之可操作範圍 35 表七、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,有清潔內壁)不同內部空間噴注機構之實驗結果 36 表八、圓柱長度30mm與60mm噴注機構(0.3mm噴注孔徑,有清潔內壁)不同總質量流率之實驗結果 38 表九、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,有清潔內壁)圓柱長度30mm噴注機構不同O/F之實驗結果 41 圖一、單渦漩霧化機構示意圖 43 圖二、研究方法流程圖 43 圖三、噴注機構內部示意圖 44 圖四、醋酸錳 44 圖五、台灣中油公司所生產的煤油 45 圖六、長春化工生產的濃度50%過氧化氫 45 圖七、過氧化氫純化系統與純化原理示意圖 46 圖八、推進劑流量供應及控制系統示意圖 46 圖九、資料擷取設備(NI DAQ6259) 47 圖十、點火實驗攝影系統 47 圖十一、Phantom V711高速攝影機 48 圖十二、噴注機構及其工程設計圖(由上至下為內徑6mm、8mm、10mm) 48 圖十三、噴注機構不同流速下之液膜大小(內徑8mm 0.4mm噴注孔徑) 49 圖十四、不同工作流體之液膜型態(左圖:水,右圖:推進劑) 49 圖十五、液體於噴注機構內之停滯時間量測示意圖 50 圖十六、不同流速(總質量流率)下之停滯時間變化圖 50 圖十七、不同流速(總質量流率)下之空腔大小(內徑8mm 0.4mm噴注孔徑) 51 圖十八、噴注機構穩定點火影像(內徑10mm 0.3mm噴注孔徑;O/F=4,m=6g/s,三秒平均) 51 圖十九、內徑6mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構無法穩定駐焰示意圖 52 圖二十、內徑6mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構操作範圍 52 圖二十一、內徑8mm(0.4mm噴注孔徑)噴注機構無法穩定駐焰示意圖 53 圖二十二、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構操作範圍 53 圖二十三、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構無法穩定駐焰示意圖 54 圖二十四、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,圓柱長度60mm)噴注機構未清潔內壁持續點火實驗結果 54 圖二十五、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑,有清潔)噴注機構操作條件區域圖 55 圖二十六、內徑8mm(0.3mm噴注孔徑,有清潔)噴注機構操作條件區域圖 55 圖二十七、內徑10mm圓柱長度60mm噴注機構圖 56 圖二十八、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)圓柱長度30mm不同質量流率點火實驗結果 56 圖二十九、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)圓柱長度60mm不同質量流率點火實驗結果 57 圖三十、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)圓柱長度30mm與60mm噴注機構不同質量流率點火實驗結果 57 圖三十一、內徑10mm(0.3mm噴注孔徑)噴注機構不同O/F之點火前噴霧影像比較 58

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