鎂基高金屬含量水反應金屬燃料穩態燃燒機理研究

《鎂基高金屬含量水反應金屬燃料穩態燃燒機理研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由胡建新擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎂基高金屬含量水反應金屬燃料穩態燃燒機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡建新
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

水衝壓發動機是一種高能量密度的水下推進系統，然而，當水反應金屬燃料中金屬含量達到80%甚至更高時，該燃料將難以依靠自身攜帶的氧化劑自維持燃燒，使發動機性能無法達到理論設計水平。本研究擬以實驗為主，結合理論分析與數值模擬，探討高溫水蒸氣環境下鎂基高金屬含量水反應金屬燃料穩態燃燒機理。開展鎂基高金屬含量水反應金屬燃料的熱分解特性分析，獲得燃料熱分解反應動力學參數，分析燃料在不同溫度下凝聚相熱分解反應產物的組成，獲得燃料凝聚相熱分解反應歷程。通過帶有透明視窗的燃燒實驗裝置，開展鎂基高金屬含量水反應金屬燃料燃燒火焰結構，燃燒波結構及燃速特性實驗研究，獲得氣相產物及凝聚相產物的主要成分及其相對含量。合理推斷鎂基高金屬含量水反應金屬燃料穩態燃燒過程，建立其穩態燃燒模型，對比分析溫度分布、燃料燃速等參數的實驗結果和數值模擬結果，修正完善燃料穩態燃燒模型，並提出合理的持續穩定燃燒措施。

結題摘要

提出並建立了水反應金屬燃料燃燒機理實驗研究方法，採用蒸汽發生器提供高壓水蒸氣環境，開展水反應金屬燃料與水反應機理研究；設計了可進行燃燒現象觀察和參數測量的開窗式燃燒器，建成了水衝壓發動機燃燒機理研究實驗系統，可擴展用於多種燃料在不同環境下的燃燒過程研究。採用DSC、TG-DTA等熱分析方法，研究了金屬鎂含量分別為60%和73%的鎂基水反應金屬燃料（簡稱60型、73型鎂基燃料）的熱分解歷程。研究發現，兩種燃料的熱分解過程均由其組分的熱分解疊加而成；73型鎂基燃料中氧化劑AP的分解峰溫相對提前。開展了60型鎂基燃料在氬氣和水蒸氣環境下的穩態燃燒實驗研究。研究表明，60型鎂基燃料燃燒時，燃面溫度高於金屬鎂的熔點，鎂液滴在燃面著火併進入氣相燃燒；與氬氣環境下的自維持燃燒相比，水蒸氣環境下穩態燃燒的火焰亮度增加，凝相燃燒產物中的氧化鎂含量增加，單質鎂含量減少。分析了巨觀因素對燃料穩態燃燒特性的影響規律，結果表明，工作壓強升高、水蒸氣濃度增加和環境溫度的升高有利於提高燃料燃面溫度和燃速。開展了73型鎂基燃料在氬氣和水蒸氣環境下的穩態燃燒實驗研究。研究表明，73型鎂基燃料燃燒時，燃面溫度高於金屬鎂的熔點，熔化的鎂液滴粘附在燃料熱解後的碳骨架上，基本上不進入氣相。與自維持燃燒相比，水蒸氣氛圍下穩態燃燒的火焰亮度和火焰高度增加，凝相燃燒產物中鎂顆粒破損程度加劇，氧化鎂含量增加，單質鎂含量減少。分析了巨觀因素對73型鎂基燃料燃料穩態燃燒特性的影響規律，結果表明，穩態燃燒燃面溫度和燃速隨著工作壓強、水蒸氣濃度和環境溫度的升高而增大。 　　考慮了燃料與一次進水之間的耦合燃燒對發動機燃燒過程的影響，建立了高金屬含量鎂基燃料水衝壓發動機穩態燃燒與流動數值計算模型，並通過發動機實驗數據驗證了模型的正確性。系統研究了燃面退移、一次進水水燃比、一次進水角度、一次進水霧化粒徑及噴射速度等參數對水衝壓發動機穩態燃燒特性的影響，獲得了燃面溫度和燃速隨一次進水參數變化規律，提出了有利於改善水衝壓發動機工作性能和維持高金屬含量鎂基燃料水衝壓發動機穩定燃燒的工作方式。