偏二甲肼懸濁液電流變特性的實(shí)驗(yàn)研究

武冠杰, 胡松啟， 劉凌毅， 任全彬， 于秀麗， 胡聲超， 高 峰， 張教強(qiáng)

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710072; 2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

1 引 言

偏二甲肼(UDMH)作為性能優(yōu)良的高能液體燃料[1-2]，在許多液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)都有廣泛應(yīng)用。由于其常溫液態(tài)儲(chǔ)存、易燃易爆及腐蝕性強(qiáng)等特性，導(dǎo)致其長期儲(chǔ)存與長途運(yùn)輸較為困難[3-4]。因此，采取新方法和途徑來實(shí)現(xiàn)偏二甲肼的儲(chǔ)存和運(yùn)輸顯得尤為緊要。電流變技術(shù)[5-7]是一種通過電場(chǎng)連續(xù)可逆地調(diào)節(jié)流體的流變特性的技術(shù)，具有響應(yīng)迅速、連續(xù)可控、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。將電流變技術(shù)應(yīng)用到液體火箭推進(jìn)劑中，通過加入電場(chǎng)使偏二甲肼從液相轉(zhuǎn)化為凝相，可大大降低偏二甲肼的腐蝕性和危險(xiǎn)性，能夠解決液體推進(jìn)劑運(yùn)輸難題，可以使液體推進(jìn)劑長期儲(chǔ)存在導(dǎo)彈/火箭儲(chǔ)箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射。因而，研究偏二甲肼的電流變特性對(duì)其在軍事和航天領(lǐng)域的使用和發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

Winslow[8]在1947年首次提出電流變效應(yīng)，他將半導(dǎo)體介質(zhì)粉末均勻混合在絕緣液體內(nèi)，在電場(chǎng)強(qiáng)度為3 kV·mm-1的外加電場(chǎng)下，懸浮液的粘度增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。Hao[9]研究介質(zhì)顆粒的介電損耗對(duì)電流變效應(yīng)的影響，當(dāng)介質(zhì)顆粒的介電損耗超過某個(gè)臨界值時(shí)會(huì)引起介質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)，有利于成纖化結(jié)構(gòu)的形成，從而實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)，但介電損耗過大反而會(huì)破壞成纖化結(jié)構(gòu)。茅海榮[10]通過將沸石介質(zhì)加入50#硅油制備電流變液，研究電流變液的抗壓強(qiáng)度與剪切屈服應(yīng)力，得到在外加電場(chǎng)下電流變液的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同電場(chǎng)強(qiáng)度下的剪切屈服應(yīng)力，但未研究沸石介質(zhì)的含量對(duì)電流變特性的影響。

本研究將電流變技術(shù)應(yīng)用到偏二甲肼中，利用電流變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制備的偏二甲肼懸濁液電流變特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度和偏二甲肼含量等因素對(duì)UDMH懸濁液電流變特性的影響規(guī)律，以期為電流變技術(shù)應(yīng)用到液體火箭推進(jìn)劑的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)於ɑA(chǔ)。

2 電流變特性實(shí)驗(yàn)裝置原理及組成

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用電流變液在高壓電場(chǎng)下表觀粘度大幅提升的基本特征，測(cè)試偏二甲肼懸濁液的質(zhì)量流率變化，從而表征懸濁液的電流變特性。

測(cè)試原理參考運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)試方法[11-12]，由于重力和液體層間內(nèi)摩擦力的相互作用，流體在一定速度下將受力平衡做勻速運(yùn)動(dòng)。同時(shí)電極板通道截面為長寬比很大的矩形，所以將矩形通道近似看作兩平行板通道。根據(jù)以上假設(shè)分析可以把電極通道內(nèi)懸濁液流動(dòng)過程轉(zhuǎn)化為兩平行板間勻速流動(dòng)模型。其受力分析如圖1所示。

圖1 電極通道內(nèi)懸濁液受力分析

Fig.1 The force analysis of suspension in electrode channel

按圖1所示，在電極板通道內(nèi)，單位面積的懸濁液受重力作用在上下液面間產(chǎn)生一個(gè)壓力差p，在通道截面積A內(nèi)形成驅(qū)動(dòng)力F，使懸濁液向下加速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓粘滯定律，粘性流體作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，各層流動(dòng)的速度不同，相鄰兩層之間存在內(nèi)摩擦力f，隨著速度增加內(nèi)摩擦力f也不斷增加。最終在一定速度v下，懸濁液會(huì)達(dá)到受力平衡，即內(nèi)摩擦力f與驅(qū)動(dòng)力F相等，懸濁液以速度v勻速向下運(yùn)動(dòng)。

以兩極板中間面為基準(zhǔn)面，前后各取δ厚的流體層，根據(jù)牛頓粘滯定律，該流體層前后兩面受到內(nèi)摩擦力f為[13]:

(1)

在速度v下，流體達(dá)到受力平衡，內(nèi)摩擦力f與驅(qū)動(dòng)力F相等。由此得到平衡方程:

(2)

式中，p為極板上下面壓差，Pa;g為重力加速度，m·s-2;ρ為液體密度，kg·m-3。

(3)

從式(2)中可以看出兩板間流體的速度分布，那么流經(jīng)通道的質(zhì)量流率Q為:

(4)

得到:

(5)

式(4)中裝置參數(shù)L、h、d和液體密度ρ保持不變，因此粘度η與質(zhì)量流率Q呈反比。所以，可用質(zhì)量流率Q代替表觀粘度表征懸濁液電流變特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)偏二甲肼特性設(shè)計(jì)電流變測(cè)試裝置，主要包括三個(gè)模塊: 電流變效應(yīng)模塊、質(zhì)量實(shí)時(shí)測(cè)試模塊和真空實(shí)驗(yàn)艙。電流變效應(yīng)模塊的作用是產(chǎn)生電場(chǎng)和提供粘度測(cè)試的通道; 質(zhì)量實(shí)時(shí)測(cè)試模塊的作用是測(cè)量偏二甲肼各時(shí)刻的流出質(zhì)量，通過對(duì)比無電場(chǎng)和有電場(chǎng)下流出質(zhì)量曲線來表征懸濁液電流變特性; 真空實(shí)驗(yàn)艙的作用是隔絕測(cè)試過程中偏二甲肼與空氣和人的接觸，提高實(shí)驗(yàn)安全性。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，搭建出偏二甲肼懸濁液電流變效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2a所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2b所示。

a. structure diagram

b. scene photography

圖2 偏二甲肼電流變特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

Fig.2 Experimental test system of UDMH electrorheological characteristics

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性測(cè)試

采用圖2裝置測(cè)試藻酸-液體石蠟懸濁液在電場(chǎng)強(qiáng)度分別為0，1，2 kV·mm-1時(shí)的電流變特性，每種電壓均測(cè)試兩次。實(shí)驗(yàn)中，分別選擇在測(cè)試開始后260 s關(guān)閉1 kV·mm-1測(cè)試電場(chǎng)，550 s左右關(guān)閉2 kV·mm-1測(cè)試電場(chǎng)，測(cè)試液的流出質(zhì)量曲線如圖3所示。圖3中，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)為懸濁液流入玻璃皿內(nèi)的總質(zhì)量M，其中質(zhì)量曲線的斜率即為懸濁液流出的質(zhì)量流率Q。

圖3 藻酸-石蠟油懸濁液流出質(zhì)量曲線

Fig.3 The flow mass curves of alginic acid-paraffin oil suspension

從圖3可以看出，相同電場(chǎng)強(qiáng)度所測(cè)流出質(zhì)量曲線斜率一致，說明質(zhì)量流率Q相同，證明該電流變測(cè)試系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性; 不同電場(chǎng)強(qiáng)度所測(cè)質(zhì)量流出曲線存在巨大差異且電場(chǎng)強(qiáng)度越高其質(zhì)量流率越小，此與Winslow[8]發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電流變特性影響規(guī)律相同，說明所研制的電流變測(cè)試系統(tǒng)能有效的測(cè)試出電流變特性。

3 偏二甲肼懸濁液電流變特性測(cè)試

偏二甲肼存在絕緣性弱的特性，不利于實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)。針對(duì)偏二甲肼的這一特性，采用混合絕緣油的方法，將絕緣液體石蠟與偏二甲肼混合作為基液，并以藻酸作為介質(zhì)，配置出偏二甲肼懸濁液，研究藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度和偏二甲肼含量對(duì)偏二甲肼懸濁液電流變效應(yīng)的影響規(guī)律。

3.1 藻酸介質(zhì)含量和電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電流變特性影響

配制4種偏二甲肼懸濁液，其中只改變?cè)逅峤橘|(zhì)和液體石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確保偏二甲肼含量不變，具體配方如表1所示。

表1 偏二甲肼懸濁液配比

Table 1 Formulation of UDMH suspension

%

電流變測(cè)試中，4種偏二甲肼懸濁液在電場(chǎng)強(qiáng)度分別為0，1,2 kV·mm-1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

a. 0 kV·mm-1

b. 1 kV·mm-1

c. 2 kV·mm-1

圖4 不同電場(chǎng)下的偏二甲肼懸濁液流出質(zhì)量曲線

Fig.4 The flow mass curves of UDMH suspension under different electric field

從圖4可以看出，提升藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)能降低各電場(chǎng)下偏二甲肼懸濁液的質(zhì)量流率，但質(zhì)量流率的變化幅度不斷減少。由于電流變特性的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是電場(chǎng)作用下力學(xué)性能的變化量，綜合藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各電場(chǎng)下質(zhì)量流率的影響規(guī)律得到，當(dāng)藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)(介質(zhì)含量小于30%)，在高電場(chǎng)強(qiáng)度下質(zhì)量流率的變化量大于低電場(chǎng)下的變化量，提升介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以增加懸濁液電流變特性; 但當(dāng)介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)(介質(zhì)含量大于30%)，則與之相反。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，5%偏二甲肼含量的懸濁液電流變特性綜合性能最佳。

3.2 偏二甲肼含量對(duì)懸濁液電流變特性影響

由于偏二甲肼存在弱絕緣性，偏二甲肼含量對(duì)懸濁液絕緣性影響較大。在一定電場(chǎng)下，偏二甲肼含量較高的懸濁液會(huì)產(chǎn)生較大的電流，造成電源無法運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生反應(yīng)生成氣體。當(dāng)偏二甲肼含量超過15%時(shí)，懸濁液在一定電場(chǎng)下都會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，圖5為30%偏二甲肼含量的懸濁液在電場(chǎng)強(qiáng)度2 kV·mm-1的反應(yīng)圖。

圖5 電場(chǎng)下偏二甲肼懸濁液反應(yīng)圖

Fig.5 The reaction photo of UDMH suspensions in electric field

為了保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行，將電流密度為200 μA·cm-2時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度作為電流變測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)。由于不同偏二甲肼含量的懸濁液電阻不同，因而在相同電流密度的情況下，施加的電壓強(qiáng)度有所不同。表2為含量20%的藻酸與不同含量液體石蠟和UDMH的懸濁液配比和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 偏二甲肼含量不同的懸濁液配比和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Table 2 Formulation and experimental parameters of suspensions with different UDMH contents

alginicacid/%paraffinoil/%UDMH/%electricfieldintensity/kV·mm-12075522070101．452065150．962060200．402055250．272050300．17

圖6a為偏二甲肼懸濁液零電場(chǎng)下的流出質(zhì)量曲線，可以看出偏二甲肼含量變化對(duì)懸濁液零電場(chǎng)質(zhì)量流率影響較小，無電場(chǎng)時(shí)懸濁液質(zhì)量流率主要由絕緣油粘度和介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定。圖6b為偏二甲肼懸濁液在有電場(chǎng)下的流出質(zhì)量曲線，可以看出偏二甲肼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的懸濁液存在明顯的電流變效應(yīng)，而20%、25%、30%懸濁液不存在電流變效應(yīng)。這是由于偏二甲肼含量較高，降低了懸濁液的絕緣性，使可以施加的電場(chǎng)強(qiáng)度過低，無法達(dá)到電流變效應(yīng)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，提升高含量偏二甲肼懸濁液的絕緣性對(duì)實(shí)現(xiàn)其電流變效應(yīng)尤為重要。

a. no electric field

b. electric field (1 kV·mm-1)

圖6 有無電場(chǎng)下不同偏二甲肼含量的懸濁液流出質(zhì)量曲線

Fig.6 The flow mass curves of suspension with different UDHM contents with in and without electric field

3.3 15%偏二甲肼懸濁液電流變特性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)偏二甲肼含量低于15%時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)，因此進(jìn)一步研究偏二甲肼含量為15%的懸濁液中藻酸介質(zhì)含量對(duì)其電流變效應(yīng)的影響。表3為偏二甲肼含量15%的懸濁液配比表。

表3 偏二甲肼含量15%的懸濁液配方

Table 3 Formulation of suspensions of UDMH content as 15%

%

電流變測(cè)試中，6種不同藻酸含量的偏二甲肼懸濁液在電場(chǎng)強(qiáng)度1 kV·mm-1下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 不同藻酸含量的懸濁液流出質(zhì)量曲線

Fig.7 The flow mass curves of suspension with different alginic acid contents

由圖7可知，6種懸濁液的質(zhì)量流率隨藻酸介質(zhì)含量的增大而減小，可見在一定范圍內(nèi)隨著藻酸含量的提高懸濁液的粘度不斷增加。但藻酸含量為20%和25%的電流變液其流出速率基本一致，說明偏二甲肼含量為15%的懸濁液在藻酸含量超過20%后，再增加藻酸介質(zhì)含量對(duì)懸濁液的電流變特性影響不明顯。同時(shí)，藻酸含量為0%的懸濁液并未發(fā)生電流變效應(yīng)，可見15%偏二甲肼含量的懸濁液添加藻酸介質(zhì)是非常必要的，最佳藻酸含量為20%。

4 總 結(jié)

(1) 偏二甲肼的弱絕緣性不利于實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)，提升偏二甲肼基液絕緣性是配制出高含量偏二甲肼電流變液的關(guān)鍵，而采用混合懸濁液的方法大幅提升了基液的絕緣特性，實(shí)現(xiàn)了偏二甲肼懸濁液電流變效應(yīng)。

(2) 無電場(chǎng)下和有電場(chǎng)下，偏二甲肼懸濁液質(zhì)量流率均隨藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，但在電場(chǎng)下由于電流變效應(yīng)，懸濁液質(zhì)量流量會(huì)隨藻酸介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加趨于穩(wěn)定。

(3) 偏二甲肼含量超過15%的懸濁液在一定電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生較大電流，并產(chǎn)生氣泡，但其含量小于15%的懸濁液都可實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)。

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