高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程研究

《高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程研究》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面上項目。

基本介紹

• 中文名：高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程研究
• 項目類別：面上項目
• 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

含硼富燃料推進劑是一種高能量密度推進劑，在航天和飛彈推進系統中有著廣泛套用前景，但高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒機理還不甚清楚。本項目以含硼富燃料推進劑固體火箭衝壓發動機補燃室燃燒過程為研究對象，擬以試驗為主，結合理論分析與數值模擬，開展高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程研究。在國內外靜止氣氛下硼顆粒點火和燃燒過程研究基礎上，建立高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程試驗方法，分析靜止氣氛和高速對流環境下不同直徑的硼顆粒點火和燃燒過程中著火發生位置、燃燒火焰結構等關鍵參數變化規律，重點分析氣流速度、環境壓力等流體動力學因素對硼顆粒點火延遲時間、燃盡時間的影響。結合理論分析和試驗研究，合理推斷高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程，建立其點火和燃燒模型，掌握高速對流環境下硼顆粒點火和燃燒過程控制機制，探討有效促進硼顆粒快速點火和燃燒的方法，為開展硼顆粒在發動機中點火和燃燒過程研究奠定基礎。

結題摘要

考慮到固沖發動機內可能存在的顆粒聚團現象，系統開展了相對靜止氣氛下硼顆粒聚團的著火過程研究。考慮聚團內部氣相擴散及聚團與周圍環境的傳熱過程，建立了硼顆粒聚團著火模型，詳細分析了環境壓力、氣體溫度、氧氣摩爾分數、聚團半徑、聚團孔隙率以及硼顆粒與聚團的粒徑比對硼顆粒聚團的著火溫度和著火延遲時間的影響規律。 考慮強迫對流下硼顆粒外部的氣流剪下作用、表面有限化學反應動力和顆粒核心的熱傳導等物理化學過程，建立了強迫對流下硼顆粒著火模型，分析了來流速度、環境溫度、環境壓力等參數對硼顆粒著火過程的影響。研究表明，在一定工況條件下，來流速度越大、環境溫度越高、環境壓力越大，硼顆粒越容易實現著火。 考慮氣相流動、擴散和表面單步有限化學反應動力作用，建立了強迫對流下硼顆粒燃燒過程物理模型和數值仿真方法，系統研究了來流速度、顆粒半徑、環境中氧氣質量分數、環境壓力等因素對硼顆粒燃燒速率的影響。研究表明，在強迫對流作用下，硼顆粒的燃燒速率隨來流速度、顆粒半徑、環境中氧氣質量分數、環境壓力的增加而增大。基於大量數值仿真結果，擬合得到了無量綱化的強迫對流下硼顆粒燃燒速率公式，也具有較高的工程套用價值。 基於經典的凝結形核理論，建立了氣相B2O3 凝結過程動力學模型；基於多步反應機理，考慮氣相流動、擴散作用，建立了強迫對流下硼顆粒燃燒過程物理數學模型和相應的數值仿真方法。研究表明，在強迫對流作用下，硼顆粒的燃燒火焰呈軸對稱結構，空間氣相反應相對表面反應較弱，且加上強迫對流作用，氣相生成物主要停留在顆粒尾部，形成了“氣相尾焰”結構。在本文的研究範圍內，影響硼顆粒反應速率的各表面基元反應的反應速率均隨來流速度、環境壓力、環境中氧氣質量分數的增加而加大，但環境溫度對硼顆粒表面上各基元反應的反應速率影響不大。 進行了一系列的硼著火燃燒試驗研究，發現了氣相B2O3的凝結現象，觀測到了硼表面緻密氧化層的形貌特徵。初步開展了強迫對流下硼著火燃燒過程試驗研究，獲得了強迫對流下硼燃燒過程的火焰形貌，研究了顆粒初始溫度、氣流速度、氧氣濃度等參數對硼著火燃燒過程的影響，並分析了各因素的作用機制。試驗結果表明，在一定工況下，強迫對流作用會促進硼的燃燒。最後，通過實驗結果與數值仿真結果的對比，初步驗證了本文所建模型和數值仿真方法的正確性。