Mg/CO2燃烧过程中碳生成及控制机理研究

During the working process of Mg/CO2 powder rocket, a large amount of carbon will be generated by the heterogeneous reaction between magnesium powder and carbon monoxide. The carbon monoxide is produced by the homogeneous reaction between magnesium and carbon dioxide. The heterogeneous reaction will reduce the test fluid and increase the loss of two-phase flow, which can reduce the working performance of the powder rocket. The generation mechanism of carbon particle will be studied by both theoretical analysis and experimental method. Molecular dynamics simulation will be used to explore the intermediate product under the heterogeneous reaction between magnesium and carbon monoxide. Detailed reaction path and kinetic parameters can be obtained to reveal the generation mechanism of carbon particle. The effects of ambient temperature, concentration of carbon monoxide and particle size on the carbon generation characteristics can be obtained by experiments. Based on the droplet combustion model and the kinetic parameters of Mg/CO reaction, a combustion model of magnesium in carbon dioxide will be established by considering the influencing factors of carbon generation. It can provide a theoretical basis for the establishment of methods for inhibiting the generation of carbon during the combustion of magnesium in carbon dioxide.

在Mg/CO2粉末火箭发动机工作过程中，镁会与均相燃烧产物CO发生表面异相反应，生成大量的碳颗粒。这将会减少气相做功工质，增加发动机内两相流损失，进而影响发动机性能。本项目采用理论分析与实验研究相结合的方法，针对Mg/CO2燃烧过程中碳的生成特性进行研究。采用分子动力学模拟的方法探寻镁与一氧化碳异相反应的中间产物，并获得详细反应路径及动力学参数，揭示碳的生成机理。通过实验方法，研究获得环境温度、一氧化碳浓度以及颗粒粒径对Mg/CO2燃烧过程中碳生成特性的影响规律。基于液滴燃烧模型与Mg/CO反应动力学参数，建立考虑碳生成影响因素的Mg/CO2燃烧物理模型，为镁与CO2燃烧过程中碳生成抑制方法的建立提供理论依据。

碳的生成是镁二氧化碳发动机发展过程中亟待解决的关键问题之一。碳颗粒的生成会减少气相工质，增加两相流损失，从而降低发动机效率。本项目通过实验研究、分子动力学模拟、量子化学计算和理论建模等方法，针对镁二氧化碳的燃烧特性、碳生成机制进行深入研究。.通过分子动力学模拟和量子化学计算，获得了镁的反应路径和机制；结合热分析动力学方法提取并获得镁与一氧化碳/二氧化碳反应的动力学参数。.基于镁颗粒动态点火燃烧实验装置，获得了清晰的镁颗粒燃烧过程图像，并得到了不同环境温度、颗粒粒径及一氧化碳浓度条件下镁颗粒的燃烧和碳生成特性及规律，主要结论如下：.（1）由于Mg表面壳结构强度的不均匀性，颗粒表面Mg蒸气局部喷射燃烧造成了平动和自旋两种基本燃烧形态。对于不同颗粒两者强度占比不同，造成了五种不同的燃烧行为模式；.（2）环境温度的升高会造成Mg参与异相反应的比重随之减小，从而实现Mg/CO2燃烧过程中碳沉积生成量的减少；.（3）CO浓度对燃烧特性的影响是异相反应和均相反应两者相互博弈的结果。较高的CO浓度将导致碳沉积生成量增多，并且导致Mg颗粒燃烬率降低；.（4）小粒径的颗粒将会更快地跃过有利于异相反应进行的低温阶段，更容易发生过热现象，从而抑制碳生成。.基于理论计算和实验成果，构建了镁颗粒在二氧化碳环境中燃烧的数学模型，深入分析了镁颗粒在二氧化碳中的反应过程。根据碳生成特性实验和模型计算结果，分别从推进剂改性和燃烧方案组织两个角度提出了有效抑制碳生成的方法。为Mg/CO2粉末火箭发动机燃烧室设计、燃烧组织等工程技术问题的解决提供理论支撑。