電漿強化硼顆粒燃燒性能研究

《電漿強化硼顆粒燃燒性能研究》是依託清華大學，由於丹擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電漿強化硼顆粒燃燒性能研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：于丹
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

單質硼具有較高的能量密度，是一種具有很大套用潛力的理想固體燃料添加劑，尤其在固體火箭推進劑中更加具有套用前景。但是，由於其點火性較差且燃燒效率較低，在實際套用中受到很大的限制。.電漿技術通過熱力學或動力學機制強化燃料燃燒的性能，在氣體和固體燃燒中有著重要的套用，是近年來國際燃燒學領域的熱點。.本項目利用電漿技術來強化硼顆粒的燃燒，幫助解決硼燃燒的速度和效率兩大難題。其具體內容為：基於結合了電漿發生器的平面擴散火焰Hencken型燃燒器採用拉曼散射光譜、雷射誘導螢光技術及傅立葉轉換紅外吸收光譜等診斷技術來研究電漿強化硼顆粒燃燒的機理及技術。結合實驗結果，利用量子化學計算及化學反應動力學模擬，得出火焰場中電漿強化條件下硼顆粒燃燒的關鍵化學反應，並結合流體力學模擬探索其中的氣體擴散作用及化學反應動力學作用對硼顆粒燃燒過程的影響，最終建立相應硼顆粒燃燒模型。

結題摘要

與金屬顆粒、碳氫燃料相比，硼顆粒具有更高的體積能量密度，通常用作高能添加劑。在實際套用中，硼顆粒著火溫度較高，燃燒速度較慢，無法達到高效使用。這就需要深入認識硼顆粒燃燒機理，找到強化其燃燒的方法和技術。本項目基於平面擴散火焰Hencken燃燒器，耦合不同類型的電漿發生裝置，利用線上採樣、發射光譜、彩色數位相機拍照及後續圖像處理等診斷方法，探索了硼顆粒的燃燒性能，及不同電漿放電對硼顆粒燃燒性能的影響。主要的研究進展有以下四個方面。 （1）硼顆粒在環境氣氛溫度大於或等於1520K時達到完全燃燒，火焰呈現明顯的黃綠雙階段特徵。隨著環境溫度從1752K下降到1520K，對應的兩個階段燃燒時間分別為0.37-0.80ms和0.67-1.1ms。建立了硼顆粒燃燒過程的化學動力學模型，與實驗結果吻合較好。 （2）硼顆粒在環境氣氛溫度低於1520K時，發生非完全燃燒，即低溫氧化反應。火焰為黃色亮條。利用熱重分析方法研究發現硼顆粒著火溫度在800K以上，且受到多種因素影響。深入研究硼顆粒氧化機理，建立一階動力學氧化模型，得到相應的活化能。 （3）AC電弧放電電漿技術能夠強化硼顆粒在低溫環境下燃燒。當AC電弧放電發生於燃燒延遲階段時，硼顆粒的燃燒延遲時間會隨放電功率從0W增加到56W而線性降低。當AC電弧放電發生於燃燒階段時，硼顆粒的燃燒時間會大大縮短，且當放電功率大於或等於43W時硼顆粒發生完全燃燒。可見，當放電功率相同時，AC電弧電漿對硼顆粒的低溫燃燒階段的強化效果要優於其對延遲階段的強化效果。 （4）DBD低溫電漿技術能夠強化硼顆粒燃燒。首先DBD電漿對硼顆粒有明顯的捕捉效應，從而增加了硼顆粒在高溫流場區域的停留時間，其次DBD電漿活性物種可以改變燃燒過程中的化學反應路徑，從而強化了硼顆粒的燃燒。與AC電弧放電相比，DBD低溫電漿方法對硼顆粒的燃燒強化效果較弱。綜上，影響硼顆粒燃燒性能的主要因素為環境溫度。