氧弹法测量硼粉燃烧热值的方法学研究

硼是一种高能固体燃料，其燃烧热值的准确测定十分重要。用甲醇-水混合溶剂洗脱去除硼粉表面的氧化物，然后用氢氧化钠溶液滴定洗脱液中硼酸含量，计算得到500nm原始硼粉表面氧化层平均厚度为1.8～5.5nm,40nm原始硼粉表面氧化层平均厚度0.5～1.6nm，采用氧弹法测定了500nm和40nm原始硼粉及其去除氧化物后的燃烧热值，通过滴定法分析燃烧产物中硼酸含量，换算得到实际燃烧的单质硼质量，从而计算出单质硼燃烧热值。实验结果表明，500nm原始硼粉及其去除氧化物后燃烧得到的单质硼平均燃烧热值分别为55.2±0.8kJ·g^-1和55.4±1.2kJ·g^-1，两者非常接近，且落在文献值范围内；40nm原始硼粉及其去除氧化物后燃烧得到的单质硼平均燃烧热值分别为53.3±0.9kJ·g^-1和51.6±0.9kJ·g^-1，略低于文献值。为了准确测量单质硼的燃烧热值，宜选择颗粒尺寸较大(如500nm)的硼粉样品。在上述厚度范围内，氧化层对500nm原始硼粉或40nm原始硼粉的燃烧效率均无影响。当硼颗粒的尺寸为40...     

氧浓度对锆粉点火燃烧特性的影响研究

为探究氧浓度对锆粉点火燃烧特性的影响规律,利用激光点火、高速摄影仪、双色红外测温仪和光纤光谱仪等手段对锆粉的燃烧过程进行研究,获得了锆粉燃烧过程中的点火延迟时间、燃烧时间、燃烧强度和燃烧温度等参数。随后又利用XRD手段分析了燃烧产物的物相特征。通过实验发现:根据火焰形态可以将锆粉燃烧过程分为起燃、剧烈燃烧、平稳燃烧和火焰熄灭等四个阶段。氧浓度对锆粉的点火燃烧性能具有重要影响。C1～C4四种工况下锆粉的点火延迟时间分别为15ms,17.5ms,22.5ms和25ms;燃烧温度分别为1542℃,1520℃,1425℃和1405℃。因此增大氧浓度有利于缩短点火延迟时间和燃烧时间,提高燃烧温度和燃烧强度,改善锆粉的点火燃烧性能。氧浓度增大,火焰尺寸,火焰亮度和剧烈程度呈增大趋势。同时还发现锆粉在四种不同氧浓度下的反应产物主要为ZrO_2,未产生ZrN和ZrC等。     

气相硼燃烧的化学动力学分析

为研究温度和H2,CO,F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制,利用基于CHEMKIN建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理,模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化,并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明,影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M,BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢;提高初始温度,BO的氧化途径仍为R31;添加0.5%CO可以增加O自由基浓度,加快R31的反应速率;添加0.5%F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M,加快BO的氧化速率;添加0.5%H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M,R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M,加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间;在含有H2的初始组分中,气相硼燃烧的主导反应过程:B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。     

基于急速混合管状火焰技术的丙烷富氧燃烧

采用燃料与氧化剂分别切向注入柱形燃烧室的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了丙烷富氧燃烧实验研究,重点分析了火焰结构和燃烧稳定性随氧气摩尔分数xO2的变化规律。丙烷空气实验中,急速混合获得了与预混燃烧相近的均匀稳定层流火焰。以CO2为稀释剂,利用急速混合燃烧分析了不同xO2的火焰特性。结果表明:当xO2≤0.5时,在可燃范围内可获得均匀稳定的管状火焰;xO2=0.6,火焰结构不均匀但仍为稳定层流火焰;xO2增加至0.7时,仅在低当量比下获得了稳定管状火焰,当量比为1.0附近则出现了不稳定燃烧;随着xO2进一步增加,不稳定燃烧范围扩大。实验测量了xO2≤0.4的丙烷可燃界限,相同xO2下N2为稀释剂的可燃范围比CO2的大;且在xO2低至0.125时仍能燃烧,而CO2为稀释剂时此值为0.18。      

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。     

硼粉燃烧热值测试不确定度分析

基于硼粉点火和燃烧特性,介绍了硼粉燃烧热值测试原理和方法,分析了影响硼粉燃烧热值测试不确定度的因素,并对各不确定度分量进行了评定。结果表明,影响硼粉热值测试不确定度的主要因素有：系统热容量的不确定度和助燃剂热值的不确定度;在助燃剂保障硼粉完全燃烧的条件下,减小助燃剂热值的不确定度是提高硼粉热值测试准确度的关键因素。     

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题，设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机，开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明：掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象，为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置，将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率，本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。     

液体火箭发动机尾焰金属发射光谱仿真与实验研究

液体火箭发动机尾焰包含丰富的光谱信息,可以作为检测发动机运行状态与故障情况的重要依据。本文建立了高精度的液体火箭发动机尾焰金属发射光谱数值模拟方法,该方法以逐线法（Line-by-Line,LBL）为基础,考虑介质的光学厚度影响。利用该方法,对液体火箭发动机发生故障时,尾焰中可能存在的铁、镍、钾发射光谱进行了数值模拟,模拟结果与NASA光谱模拟程序所得结果相吻合。最后,在甲烷-氧气、乙烯-氧气预混火焰开展了铁、钾发射光谱的实验验证,结果表明,以光谱面积与特征峰强度为对比参数,光谱模拟结果和实验结果的相对误差在2.5%以下,利用实验数据,进一步讨论了光学薄和光学厚两种模型的适用性。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

反应烧结制备六方氮化硼陶瓷

解决六方氮化硼的难烧结性,是提高其性能的关键.本文探讨了以硼粉为基体,Y2O3,、Al2O3为添加剂,在N2气氛下,反应烧结制备六方氮化硼陶瓷的工艺过程.研究结果表明,硼粉和氮气反应剧烈进行的温度区间在1 050～1 350℃,在1 550℃反应得到进一步完善.当烧结助剂的质量分数为20%,且w(Al2O3):w(Y2O3)=3:2,1 850℃保温2 h,试样有较高强度及较低气孔率,且h-BN晶粒形状大小分布均匀.