硼颗粒点火燃烧特性研究进展

硼的质量热值和体积热值极高,作为金属燃料使用具有显著的能量优势。如何充分释放硼氧化的高热量成为其应用推广的关键问题。基于半个世纪以来国内外的相关研究成果,论述了硼颗粒点火燃烧的主要过程与机理,分析了硼点火燃烧特性的影响因素与促进方法,评述了硼点火燃烧模型和数值计算的研究进展。对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,并对未来研究的重点及改进方向进行展望。     

硼粒子直径对点火位置及燃烧效率的影响研究

采用颗粒轨道模型对非壅塞固冲发动机补燃室内不同直径硼粒子的点火及燃烧进行了数值模拟。其中,气相反应简化为一种等效气体的燃烧,硼粒子与O2的燃烧反应模型采用涡耗散模型。硼粒子的点火过程采用King模型,燃烧过程采用化学动力学控制的燃烧模型。结果表明,直径较小的硼粒子能够在补燃室头部点火,且能随气流旋转,驻留时间较长,燃烧较为充分,直径较大的硼粒子与此相反。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。     

涡轮增压固体冲压发动机补燃室燃烧数值模拟研究

提出了涡轮增压固体冲压发动机补燃室三股气流燃烧数值模拟的方法。分别采用Standard k-ε、k-εRNG、k-ωSST湍流模型,结合三维N-S方程、颗粒轨道模型、King硼粒子点火模型、硼粒子燃烧模型建立TSPR发动机补燃室三维两相流动燃烧模型。首先,利用本文模型进行冷流掺混分析,确定了试验发动机构型并进行燃烧试验,三股气流形成了稳定燃烧;然后,将数值计算得到的补燃室压强、特征速度、燃烧效率与实验结果进行对比分析,并进行了计算模型可信性分析;文中综合湍流模型对TSPR补燃室燃烧情况模拟的影响,得出硼颗粒模型是进一步提高含硼三股气流模拟精度的主要原因。说明本文采用的模型以及与之相匹配使用的方法适用于TSPR发动机补燃室燃烧情况的分析。采用本文补燃室结构进行试验,有无硼成分的试验燃烧效率分别达到82.1%和88.8%,数值模拟结果显示,还应进一步改进补燃室结构,以降低总压损失,促进补燃室壁面附近的空气参与燃烧,并提高硼粒子燃烧效率。     

超声速燃烧不稳定性研究进展

对超声速燃烧不稳定性这一新兴领域的研究进行了综合评述，并对未来研究进行了展望。首先分析了超声速燃烧不稳定性现象的基本特性及其影响因素；随后讨论了超声速燃烧不稳定性的多种机理；接着概括了基于上述机理的超声速燃烧不稳定性建模；最后对超声速燃烧不稳定性还需重点研究的方向给出建议。综述表明，超声速燃烧不稳定性的现象、机理和建模都还需持续开展研究，特别需要关注的是燃烧室构型布局和燃料喷注方式对超燃冲压发动机燃烧不稳定性现象的影响，在超声速混合层和射流等典型流动中更深入探索超声速燃烧不稳定性机理，基于超声速燃烧系统的湍流时空演化特性进一步发展超声速燃烧不稳定性模型。     

不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

使用重结晶及挤出滚圆的方法,制备了硼基粉末燃料,初步分析了GAP含量对粉末燃料形貌的影响。结果表明,提高GAP含量,可显著降低颗粒之间的粘聚现象,改善颗粒形状规则程度,其含量达到30%时,颗粒粒径较大、形状规则,流化性能好。在此基础上,通过点火燃烧实验研究了HTPB和GAP作为粘结剂对燃料的点火燃烧过程的影响。结果表明,相同含量下,GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间明显低于HTPB团聚硼粉样本的点火延迟时间,10%GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间远低于10%HTPB团聚的硼粉。随着GAP含量由10%提升到30%,硼基粉末燃料的平均点火延迟时间由100.7 ms缩短至45.1 ms,当GAP含量达到30%时,GAP热解产生的大量燃气会促进样本内硼颗粒在空间的离散,使硼颗粒与氧气有着更好的接触,从而在更短的时间内燃尽。     

热空气中硼粒子燃烧分析

针对硼粒子在热空气中的燃烧,以Mohan G和Williams F A提出的燃烧模型为基础.对较大粒径(d>35 μm)采用扩散燃烧火焰模型.对较小粒径(d<35μm)采用扩散和化学动力学控制模型,应用数学分析方法,研究了硼粒子燃烧规律,得出了热空气中硼粒子半径随时间的变化规律,分析了压强、温度等参数对硼粒子燃烧的影响...     

固体火箭超燃冲压发动机硼基贫氧推进剂配方优选试验研究

针对固体火箭超燃冲压发动机中高焓多相超音速燃烧组织难题,通过改进含硼固体贫氧推进剂配方,为硼颗粒的点火燃烧提供良好的微环境,以进一步缩短硼颗粒的点火延迟时间,开展了三种推进剂配方的直连试验研究.试验结果表明,在5～10μm粒径的基础上,进一步降低硼颗粒粒径至1～2μm,使颗粒的随流性增强,并使得掺混均匀度降低,抵消了硼...     

《硼的点火和燃烧》

<正>书号:978-7-03-040293-6出版日期:2015年9月开本:16开字数:416000定价:158.00元内容简介:硼的点火和燃烧相关研究是固体推进技术的关键科学问题。本书系统地介绍了硼颗粒及含硼燃料的物理化学特性、点火燃烧特性及其促进方法,点火和燃烧理论模型、微尺度下点火燃烧特性。涉及多种不同的实验技术、测试技术、数值计算技术和化学建模方法,涵盖了含硼燃料在固体火箭冲压发     

硼粒子包覆工艺及对硼的表面和燃烧特性的影响

介绍了用ＧＡＰ，ＴＤＩ，ＡＰ，ＴＭＰ，ＬｉＦ，Ｖｉｔｏｎ Ａ硅烷，碳化硼，钛等物质包覆硼粒子的工艺过程，论述了其包覆机理对硼粒表面及点火燃烧特性的影响。表明，在提高硼粒子燃烧效率及改善硼与推进剂体系的相容性方面，硼粒子包覆是最有效的途径；包覆硼粒子可以显著提高含硼推进剂的性能。     

含硼贫氧推进剂燃烧性能实验研究

采用了多种实验测试手段，对不同类型的含硼贫氧推进剂燃烧特性进行了研究，包括它的热分解，点火性能，能量特性、燃烧现象及流场温度分布等特征。     

氧化剂和团聚硼粒度对富燃料推进剂燃速特性的影响

考察了细AP和团聚硼含量对含硼富燃料推进剂燃速特性的影响.结果表明,随细AP含量和团聚硼含量的增大,推进剂燃速增加,燃速压强指数也呈增加趋势.同时,以BDP模型为基础,将硼粒度对推进剂燃速特性的影响引入燃速表达式,表达式表明细AP和团聚硼有利于提高氧化剂的燃烧表面积在燃面上的比例,从而有利于提高推进剂的燃速.     

硼粒子的点火及燃烧特性

介绍了硼的物理化学特性和燃烧机理，硼的点火延迟期长、燃烧效率低是由其本身的特性所决定的。改善硼的点火及燃烧特性可以通过控制其粒度，表面包覆、添加低燃点金属等途径来实现。采用ＧＡＰ包覆硼粒吃可以显著降低硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率。     

Propagation of a flame through a stratified charge combustion chamber

Flame propagation through stratified media is examined with a numerical model of chemically reactive flow in combustion systems. The model includes a detailed reaction mechanism for methane combustion and an implicit Eulerian difference equation form for the hydrodynamics. Calculations of flames propagating through spatially uniform and stratified media are compared. Results are presented which indicate that hydrodynamic factors can have a significant effect on the energy production rates, pressure rise rates, and unburned fuel concentrations for all models. For the stratified charge models it was found that CO and NO_x production rates were significantly lower than for uniform charge models. Significant amounts of unburned fuel are found near the combustion chamber wall, even in some of the stratified charge models, so that reaction quenching at the wall may be important even in the stratified charge cases. Calculations are presented which predict improvements in fuel efficiency and decreases in pollutant formation, resulting from changes in fuel stratification and compression ratio.