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硼颗粒着火燃烧过程及其促进方法研究

肖云雷  
【摘要】:硼具有较高的质量热值和容积热值,被认为是固体火箭冲压发动机高能推进剂的最佳燃料。含硼富燃料推进剂含有较多的硼颗粒,在燃气发生器中由于缺氧和低温而不可能充分着火燃烧,含有大量硼颗粒的富燃燃气是在补燃室中与空气掺混完成着火燃烧的。硼颗粒在补燃室内的驻留时间只有几毫秒,在这有限的时间内必须很好地组织二次燃烧才能实现硼颗粒的快速着火和高效燃烧。因此,研究硼颗粒的点火燃烧过程,揭示其内在机理和控制方式,探索硼颗粒点火燃烧过程促进方法,将为含硼富燃料推进剂固冲发动机的高效能量转化奠定基础,具有重要的理论意义和工程应用价值。在分析国内外的硼颗粒着火燃烧过程模型研究的基础上,开展了硼颗粒着火燃烧过程的理论研究。在考虑硼颗粒周围气相流动、气相扩散以及硼颗粒与周围环境间的传热过程的基础上,建立了更加相对完善的一维的硼颗粒着火模型,对硼颗粒着火过程Stefan流的变化规律及其成因展开了详细分析;同时考虑气相扩散和表面气固/液两相化学反应动力学因素作用,建立了一维的硼颗粒燃烧模型,研究了环境压力、环境温度和环境中氧气浓度对硼颗粒着火燃烧过程的影响。考虑到固冲发动机补燃室内部可能发生的硼颗粒碰撞过程,分析了硼颗粒在碰撞过程的微观受力情况,对碰撞力和粘性力进行了定量的分析计算。计算结果表明,相同粒径的硼颗粒在补燃室环境下的碰撞过程容易聚团,且颗粒越小越明显。因此,进一步建立了一维硼颗粒聚团着火模型,详细分析了环境压力、环境温度、环境中氧气质量分数以及聚团大小对硼颗粒聚团着火过程的影响。在分析国内外对硼颗粒着火燃烧过程试验研究的基础上,建立了硼颗粒着火燃烧试验方法,初步验证了试验方法的可行性。基于氙灯加热试验台和差示扫描量热仪得到了硼颗粒着火过程的温度、质量等参数变化规律。热重分析表明,硼颗粒聚团的着火温度较单颗粒低且随聚团直径的增大而降低,进而初步验证了本文硼颗粒聚团着火模型的正确性。初步开展了硼颗粒的着火燃烧促进方法的试验研究。利用氙灯加热系统和热重测试对硼镁混合物的着火特性进行了试验研究,结果表明镁的添加会使硼的着火延迟时间变短,对硼的着火温度影响不大。在试验基础上,进一步建立了零维硼镁聚团的着火模型,对模型的分析结果表明,镁的添加会缩短硼的着火延迟时间,促进硼的着火。


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