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粉末燃料冲压发动机的点火燃烧特性研究

粉末燃料冲压发动机的点火燃烧特性研究

编辑:betway必威官网编辑????来源:本站原创????发布时间:2018-04-06T00:20:07????浏览量:
粉末燃料冲压发动机直接以微小固体颗粒作为燃料,粉末燃料在冲压发动机燃烧室中的燃烧过程属于典型的粉尘燃烧过程。 因此,研究颗粒燃烧是理解粉尘燃烧的基础。 国内外关于金属镁、铝及硼的点火燃烧过程已经开展了大量研究,本文在此进行简单梳理。镁的燃烧特性研究工作起始于 20 世纪 50 年代末,此时的研究工作集中于镁颗粒点火过程和燃烧过程的实验研究。 
90 年代以来,随着基础理论和试验技术水平的不断提高,镁颗粒点火燃烧的试验、理论及计算模型等方面的研究均得到了长足的发展。 在试验研究方面:开展了高压环境、微重力环境、不同氧化剂气氛等条件下颗粒点火燃烧特性的研究。 理论研究方面,则主要是根据试验结果建立相应的理论模型,通过计算分析进一步了解整个过程的瞬态特征并说明试验现象。 此外,还开展了粉尘云点火燃烧特性研究。 镁的点火与燃烧过程的研究工作主要集中于氧气与二氧化碳的介质中,普遍认为,在这 2 种介质中,镁的燃烧过程主要受气相扩散过程控制。 镁沸点和熔点都较低,易于气化和燃烧,点火性能好。 
2004 年 Goldshleger等研究了单个镁颗粒在氧气/ 氩气混合气中的氧化和燃烧特性。 杨晋朝则着眼于镁基粉末燃料冲压发动机的可靠点火和燃烧,开展了大量理论研究,针对镁颗粒群的着火机理、发动机燃烧室内燃料颗粒的不均匀分布现象及局部颗粒浓度较高区域的着火燃烧,分别建立了点火燃烧模型。 此外,还基于粉末燃料冲压发动机的自持燃烧,开展了一维镁粉尘云层流燃烧的理论和试验研究。20 世纪 50 年代末,各国先后开展了铝颗粒点火燃烧机理研究。 研究表明,铝在氧气中燃烧很难启动,一个重要原因是铝表面有一层致密的氧化膜阻止其与氧气反应。 Brooks 和 Beckstead 等在总结以往研究成果的基础上,给出了铝点火的相关结论,他们指出,铝的点火可能遵循以下 2 种潜在方式:
(1)保护性氧化物外壳破裂,使得铝颗粒能够暴露在氧化剂环境当中;
(2)氧化剂穿过保护性氧化物外壳向里扩散,引起颗粒的自身加热。
 但这 2 种方式的主导性仍存在争议。 研究表明,保护性氧化物外壳破裂是铝点火的主导机制。 一般而言,铝颗粒粒径在 10~60 μm 之间时,其点火温度一般在 1 700~2 200 K 之间。 1968 年,Be?lyaev 等研究得到了单个铝颗粒的燃烧时间为 τ=0.67D 1.5 / a K 0.9 ,并被广泛接受和大量引用。近年来,随着纳米技术的发展,国内外学者开始探究纳米铝颗粒的燃烧特性,Chowdhury 等利用丝线反应器研究了不同氧化层厚度时纳米铝与纳米氧化铜的着火延迟时间。 结果表明,氧化层越厚,相同升温条件下的着火延迟越长,且着火延迟时间和温度、升温速率都有关。 Chakraborty 等利用分子动力学模拟分析了颗粒团烧结的可能性,并结合烧结理论说明了纳米颗粒燃烧时间与粒径的弱相关性。 Ermoline 等发现考虑颗粒尺寸效应时,颗粒温度和燃烧时间都将改变;而 Allen 等分析了换热模型中热容纳系数对燃烧时间和燃烧温度的影响,发现对于纳米铝颗粒燃烧过程热容纳系数取值可小至 0.005。 孔成栋利用平焰燃烧器,研究了纳米铝颗粒的燃烧机理及反应动力学。以粉末燃料冲压发动机和粉末火箭发动机为背景,邓哲开展了粉末推进剂层流火焰传播特性研究,为粉末推进剂的燃烧理论提供了理论基础。
相比于镁、铝,硼作为燃料时具有两相流损失少、质量热值和体积热值高等优点。 但由于硼点火困难及燃烧效率低,因此其在发动机中不能完全燃烧,能量特性得不到充分发挥。 为寻求改善硼点火和燃烧性能的方法,从 20 世纪 50 年代初开始对硼粒子的点火燃烧作了大量的试验研究,并总结了硼颗粒的点火、燃烧模型。 
总体来说,国外研究者偏重于硼颗粒点火燃烧的机理研究,TaKuo Kuwahara 等通过实验研究了 Mg、Al、Zr、Ti 等金属添加物对硼颗粒点火和燃烧的影响。 Yuji Kazaoka 等利用电加热设备,并结合光谱仪和纹影拍摄得到了硼颗粒着火和燃烧过程中可见光火焰面和红外区的凝相 B 2 O 3 火焰锋的变化规律。国内早期关于硼颗粒的研究侧重于硼在推进剂里的应用。 近年来, 关于硼颗粒点火机理和模型的研究也逐渐兴起。 研究表明,减小粒径可明显促进硼颗粒燃烧,但当硼颗粒粒径较小(小于 1 μm)时,此时进一步减小粒径对于燃烧时间的影响不大。 此外,在硼颗粒中添加一定量的其他物质,如锂、镁等金属,可有效地促进硼的点火和燃烧,表面包覆也是改善硼点火燃烧性能比较好的一种方法。通过以上概述分析可看出,目前国内外关于粉末燃料冲压发动机的研究仍处于起步研究阶段。 试验证明了发动机的可行性,但在诸多技术环节还需要深入研究
 

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