铝粉颗粒燃烧产物的平均弥散度计算研究

采用金属颗粒的扩散燃烧模型和燃烧产物的均匀多相成核理论，对铝粉燃烧所形成的Al2O3平均弥散度进行了计算研究。根据计算结果，对铝粉燃烧区域中的温度、燃烧产物的过饱和度及其凝聚成核速率的变化规律进行了分析讨论。并研究了环境因素对上述多数和铝粉燃烧产物平均弥散度的影响。     

复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。     

AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值研究

为研究AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性,使用二维三明治模型进行了数值仿真研究。该模型使用简化的四步总包反应机理,考虑燃烧过程中的燃面退移,计算时大粒径AP取平均粒径,小粒径AP采用“均质黏合剂假设”,认为其与HTPB组成“均质黏合剂”。在0.02MPa-0.08MPa的压强下进行了仿真,并与高压（5MPa）下的燃烧仿真进行对比。结果表明,低压下固相AP对黏合剂的传热导致了交界面处燃面的下陷,下陷程度随压强减小而增大;随着燃烧的进行燃面各点燃速趋于一致,燃面形状不再改变。低压下气相反应表现为预混燃烧,初焰为主导反应。低压下燃速仿真与实验值基本一致,压强指数小于高压下的压强指数。     

硼颗粒点火燃烧模型求解及影响因素分析

简要介绍了含氧气和水蒸气环境下硼颗粒点火动力学模型和燃烧动力学模型,并给出了详细的数值求解方法,采用权威实验数据校验模型的合理性和准确性。利用模型预测硼颗粒点火燃烧特性,分析表面氧化层厚度,粒径,环境压强,氧分压,水蒸气分压及环境温度等因素对硼的点火燃烧特性的影响,并与相应的实验结果进行比较。结果显示,硼颗粒点火时间和燃烧时间均随粒径增大而增加。当粒径小于20μm时,燃烧时间与粒径基本呈正比关系。而当粒径大于20μm时,燃烧时间随粒径增大呈二次方增长。点火时间随初始氧化层厚度增加单调递增,增长率达到65ms/μm。点火时间和燃烧时间随环境压强增大基本呈现减小的趋势,但3MPa以上均不敏感。氧分压的提高对点火时间没有影响,但使燃烧时间明显减小,而水蒸气分压的升高则显著降低点火时间,但对燃烧时间几乎没有影响。环境温度的升高会减小点火时间,但对燃烧时间的影响可忽略。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。     

Na_3AlF_6对微米铝粉在CO_2气氛中着火燃烧特性的影响

为了改善铝粉在二氧化碳气氛中的着火特性和燃烧效率,采用自行设计的管式炉研究了六氟铝酸钠对铝/二氧化碳着火燃烧特性的影响。采用高速摄影系统记录了样品着火燃烧现象,同时收集反应后的产物通过X射线衍射和扫描电镜技术、化学分析方法对其成分、产物形貌和燃烧效率进行了分析。研究结果表明,六氟铝酸钠能够显著降低铝粉的点火延迟时间,与未添加六氟铝酸钠的样品相比,加入六氟铝酸钠后,样品的点火延迟时间降低了18s左右;六氟铝酸钠的加入还能抑制燃烧产物凝聚并提高铝粉的燃烧效率,随六氟铝酸钠添加量增加,燃烧效率呈现先增加后降低的趋势,添加了六氟铝酸钠的样品的最高燃烧效率为71.82%,与未添加六氟铝酸钠的样品相比提升了21.1%。     

Ni包覆纳米Al粉在CO_2气氛中热反应特性及动力学研究

为解决点火困难、燃烧效率低的问题,采用热分析仪研究了镍包覆纳米铝粉在二氧化碳气氛下的热反应特性和反应动力学。结果表明:对纳米铝粉表面进行镍包覆可有效降低纳米铝粉的着火温度,缩短其反应时间。升温速率在5℃/min,10℃/min和15℃/min时,镍包覆纳米铝粉与未包覆纳米铝粉相比,其着火温度分别下降了64.0℃,71.0℃和76.0℃;反应时间缩短了9.8min,6.6min和4.0min。采用Coats-Redfern法结合Malek法,选择合理的动力学模型并计算得到相应的反应动力学参数。结果表明,镍包覆纳米铝粉和未包覆纳米铝粉的氧化反应机理存在明显的差别;镍包覆纳米铝粉降低了其与二氧化碳反应的活化能,同时,研究发现,升温速率并不能改变未包覆纳米铝粉和镍包覆纳米铝粉在二氧化碳气氛中的反应机理。     

镁粉对铝/冰燃料燃烧特性的影响

为改善铝/冰燃料的点火燃烧性能,通过添加不同比例的镁粉制备成铝/冰基燃料,研究其对铝/冰燃料燃烧特性的影响。实验通过接触法测得铝/冰基燃料燃烧温度并采用高速摄影系统观测其燃烧现象。研究结果表明,铝/冰燃料中添加镁粉后在100~200℃即出现较为明显的氧化放热反应,镁粉可以明显降低铝/冰基燃料的起始反应温度,加快反应速率。在稳定燃烧阶段,随着镁粉添加量的增加,铝/冰基燃料燃烧剧烈程度降低。通过对燃烧产物的分析发现,添加镁粉后的燃烧产物形貌与未添加镁粉的产物形貌存在明显差别,且未完全反应的铝粉含量较多,燃烧相对不充分。     

组分对硝酸酯增塑聚醚推进剂燃烧性能的影响

通过对氧化剂AP含量及粒径、燃速催化剂种类及含量、铝粉粒度、交联剂及工艺助剂等的调整，对硝酸酯增塑聚醚推进剂的燃烧速度和燃速压强指数进行了研究，结果表明，燃速在7．7～16．7mm／s（7．0MPa）范围内可调，静态燃速压强指数稳定在0．5，最低可达0．41。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

Numerical study on combustion efficiency of aluminum particles in solid rocket motor

The combustion of aluminum particles in solid rocket motor plays an important role in energy release of propellants. However, due to the limited residence time, aluminum particles may not be burned completely, thus hindering the improvement of specific impulse. This study aims to explore the characteristics of aluminum combustion efficiency and its influencing factors by experiments and numerical simulations, providing a guideline for engine performance improvement. As an input of simulation, the initial agglomerate size was measured by a high pressure system. Meanwhile, the size distribution of the particles in plume was measured by ground firing test to validate the numerical model. Then, a two-phase flow model coupling combustion of micro aluminum particle was developed, by which the detailed effects of particle size, detaching position and nozzle convergent section structure on aluminum combustion efficiency were explored. The results suggest that the average combustion temperature in the chamber drops with increasing initial particle size, while the maximum temperature increases slightly. In the tested motors, the aluminum particle burns completely as its diameter is smaller than 50 μm, and beyond 50 μm the combustion efficiency decreases obviously with the increase of initial size. As the diameter approaches to 75 μm, the combustion efficiency becomes more sensitive to particle size. The combustion efficiency of aluminum particle escaping from end-burning surfaces is significantly higher than that from internal burning surface, where the particle combustion efficiency decreases during approaching the convergent section. Furthermore, the combustion efficiency decreases slightly with increasing nozzle convergent section angle. And theoretically it is feasible to improve combustion efficiency of aluminum particles by designing the convergent profile of nozzle.     

固体推进剂中铝颗粒结团过程研究进展

推进剂燃烧环境中金属颗粒的结团现象对固体火箭发动机性能有重大影响.本文对双基推进剂结团的表面反应层模型及复合推进剂结团的口袋模型进行了述评.鉴于实验中发现的某些燃速和压强效应的异常,本文还对新近提出的亚口袋机理和口袋间机理进行了述评.     

提高含硼固体燃料燃烧性能的研究

对含有用AP、KP、LiF包覆硼和镁的富燃料推进剂，采用多种技术研究了其燃烧过程，包括燃烧过程的观测与摄影记录、点火温度的测定、燃烧波的温度分布、热分解特性及残渣分析等。结果表明，AP，KP包覆可显著提高燃面温度及火焰温度；LiF包覆可有效降低推进剂的燃点及改善残渣的分散性；配方中添加镁可有效地加强硼粒子的点火及喷射。     

强迫对流下硼颗粒燃烧特性影响因素研究

针对冲压发动机燃烧室内强迫对流下的硼颗粒燃烧特性展开了系统研究,考虑气相流动、扩散和表面单步有限化学反应动力作用,建立了强迫对流下硼颗粒燃烧过程的物理和数学模型;采用有限体积法求解含多组分反应流的二维轴对称Navier-Stokes方程,并验证了数值仿真方法的正确性。首先通过数值仿真研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力等因素对硼颗粒燃烧特性的影响,并对其成因展开了详细分析。研究表明,在强迫对流作用下,硼颗粒总的燃烧质量流率和质量流率通量均随来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力的增加而增大。通过深入分析发现,强迫对流下硼颗粒的燃烧质量流率通量随着来流雷诺数的增加而增大。然后基于大量数值仿真结果,对相对静止气氛下的硼颗粒质量流率通量进行了修正,用于描述强迫对流下的硼颗粒燃烧特性。     

硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能研究

实验研究了硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能。通过对PET,PEG和叠氮聚醚三种粘合剂;NG,TEGDN及BTTN三种增塑剂;AP,RDX,Al粉的含量和粒度进行研究,发现推进剂在9～25MPa压强范围内燃速 压强曲线存在拐点,得出了推进剂各主要组成及固体组分的含量和粒度变化时推进剂高压燃烧性能的变化规律:分别以PET,PEG和叠氮聚醚为粘合剂时,推进剂燃速依次升高;含不同增塑剂的推进剂的燃速随增塑剂中硝酸酯基含量的增加而增加;AP含量增加同时RDX含量减小,燃速增大并且压强指数降低;AP粒度减小时,燃速增大,并且超细AP可大幅度增加燃速;Al粒度减小时,燃速先减小后增大,致使推进剂压强指数升高。     

过氯酸铵粒度对丁羟复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响

用透明窗发动机及高速摄影装置研究过氯酸铵粒度对丁羟复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响,得出了不同过氯酸铵粒度推进剂的侵蚀比与气流速度及压力的关系式.结果表明,复合推进剂中过氯酸铵粒度越大,其燃速对气流速度和压力越敏感,即侵蚀越严重;过氯酸铵粒度越大,其侵蚀界限速度越小,即其越易发生侵蚀;每种过氯酸铵粒度的推进剂,其侵蚀界限速度均随压力的增大而减小.     

复合固体推进剂燃速模拟计算数值方法研究

本文以改进的BDP燃烧模型为基础,叙述了燃烧速度计算的多种数值方法.对扩散火焰的模拟采用了精确求解与简化公式.结果表明,精确计算的程序对燃烧压力范围和氧化剂粒径大小可任一选取,并可以提高计算精度,而用简化近似计算仅对较大粒径的氧化剂和较高燃烧压力才是有效的.     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...