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基于量子化学理论的ADN/甲醇推进剂中燃料甲醇与氮氧化物化学反应机理研究

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致谢

摘要

1.1 研究背景及意义

1.2 ADN/甲醇分解及燃烧化学机理研究现状

1.2.1 ADN结构及性能研究

1.2.2 ADN热分解及燃烧化学反应机理

1.2.3 ADN催化分解及燃烧化学反应机理

1.2.4 NOx与甲醇反应机理研究国内外现状

1.2.5 ADN/甲醇反应研究现状

1.3 研究意义与目的

1.4 论文主要内容

2 量子化学基本原理及量子化学计算方法

2.1 量子化学理论及计算方法

2.1.1 量子化学的基本假设

2.1.2 量子化学理论方法

2.1.3 量子化学计算的基组

2.2 量子化学计算软件及应用

2.2.1 Gaussian软件

2.2.2 KisTheIP程序

2.3 本章小结

3 甲醇和氮氧化物反应动力学模拟分析

3.1 甲醇和单一组分氮氧化物反应

3.2 甲醇水溶液和单一组分氮氧化物反应

3.2 甲醇和多组分氮氧化物反应

3.3 本章小结

4 甲醇和氮氧化物主要反应的量子化学分析

4.1 量子化学计算分析的相关研究方法

4.2 甲醇和二氧化氮反应模拟计算分析

4.2.1 甲醇脱去甲基的氢

4.2.2 甲醇脱去羟基的氢

4.3 羟甲基与二氧化氮反应模拟计算分析

4.4 甲醛与二氧化氮反应模拟计算分析

4.5 HCO与二氧化氮反应模拟计算分析

4.6 一氧化碳与二氧化氮反应模拟计算分析

4.7 本章小结

5 ADN热分解机理分析计算

5.1 ADN分子结构分析

5.2 ADN热力学参数的计算

5.3 ADN初始分解路径分析

5.4 ADN热分解模拟仿真研究

5.5 本章小结

6 ADN/甲醇化学反应动力学模拟分析

6.1 ADN/甲醇化学反应过程模拟分析

6.2 ADN/甲醇化学反应详细机理的简化

6.3 ADN/甲醇化学反应详细机理与简化机理对比分析

6.4 本章小结

7.1 全文工作总结

7.2 研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

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摘要

ADN是一种新型的高能无毒推进剂,近几年,国外陆续推出了一类以ADN为基的水、燃料和氧化剂盐组成的离子盐溶液单元推进剂,并被看作是新型无毒单元推进剂。其中ADN和甲醇按一定比例掺混能获得比较好的性能,且成功应用于PRISMA卫星。ADN燃烧分解机理研究较为成熟,但由于ADN/甲醇推进剂燃烧过程的复杂性,目前国际上对于此燃烧机理的研究成果甚微。因此,展开对ADN/甲醇的反应机理研究对于探究其燃烧过程有着重大意义。
  基于前人关于ADN催化分解及燃烧机理和甲醇的氧化机理的研究成果,结合目前机理研究领域新兴的量化计算方法理论。首先对甲醇和氮氧化物以及分别在不同的初始反应温度下,零维均质反应过程进行了模拟。再利用量子化学计算软件Gaussian分析甲醇和二氧化氮燃烧的主要反应,确定了在二氧化氮的作用下CH3OH→CH2OH→CH2OH→CH2O→CH2O→HCO→HCO→CO→CO→CO2的反应机制,分别得到了与二氧化氮反应的可能过渡态结构、计算得到反应能垒并绘制反应势能面,绘制了相关反应重要键长变化曲线。利用KisTheIP软件计算得到反应速率常数以及活化能,指前因子等动力学参数。
  利用量子化学计算软件Gaussian分析了ADN气相结构,计算了其热力学参数,并拟合得到温度系数。利用CHEMKIN软件对ADN分解燃烧途径进行动力学模拟,分析了温度、压力以及各组分的浓度变化。整合量化模拟得到的十三条反应途径,甲醇燃烧以及ADN燃烧的详细机理,形成了较为完善的化学反应机理。基于此详细机理进行了化学动力模拟计算,通过温度敏感性分析和ROP分析对详细机理进行简化,构建出33组分,44步简化机理,并和详细机理进行化学动力学模拟结果对比分析,产物CO2的误差在合理的误差范围内。

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