等离子体强化硼颗粒燃烧性能研究

Boron is a potential addictive of solid fuels, because of its high energetic density. But the ignition character and combustion efficiency of boron are poor. Therefore, it is difficult to realize the energy potential of boron in practice. .In recent decades particular interest in application of plasma for the enhancement of combustion of the gas and solid fuel through the kinetic and dynamic mechnisms has been observed in the combustion area. .In order to solve the rate and effiency problems of the combustion of boron, the plasma-enhanced technique has been used in this item. In the experimental research, the diffusion flat flame Hencken burner integrated plasma generator has been used. Raman scattering spectroscopy, laser induced fluorescence technique, fourier transform infrared absorption spectroscopy and so on have been performed to invesgate the mechanism and technique of plasma-enhanced boron combustion. Based on the experimental results, the key chemical reaction of boron combustion could be obtained through the quantum chemistry calculations. Then the species-diffusion and chemical-kinetic mechanisms have been discussed. A model of boron particle ignition and combusiton has been developed through the chemical kinetic and hydrodynamic simulations.

单质硼具有较高的能量密度，是一种具有很大应用潜力的理想固体燃料添加剂，尤其在固体火箭推进剂中更加具有应用前景。但是，由于其点火性较差且燃烧效率较低，在实际应用中受到很大的限制。.等离子体技术通过热力学或动力学机制强化燃料燃烧的性能，在气体和固体燃烧中有着重要的应用，是近年来国际燃烧学领域的热点。.本项目利用等离子体技术来强化硼颗粒的燃烧，帮助解决硼燃烧的速度和效率两大难题。其具体内容为：基于结合了等离子体发生器的平面扩散火焰Hencken型燃烧器采用拉曼散射光谱、激光诱导荧光技术及傅里叶转换红外吸收光谱等诊断技术来研究等离子体强化硼颗粒燃烧的机理及技术。结合实验结果，利用量子化学计算及化学反应动力学模拟，得出火焰场中等离子体强化条件下硼颗粒燃烧的关键化学反应，并结合流体力学模拟探索其中的气体扩散作用及化学反应动力学作用对硼颗粒燃烧过程的影响，最终建立相应硼颗粒燃烧模型。

与金属颗粒、碳氢燃料相比，硼颗粒具有更高的体积能量密度，通常用作高能添加剂。在实际应用中，硼颗粒着火温度较高，燃烧速度较慢，无法达到高效使用。这就需要深入认识硼颗粒燃烧机理，找到强化其燃烧的方法和技术。本项目基于平面扩散火焰Hencken燃烧器，耦合不同类型的等离子体发生装置，利用在线采样、发射光谱、彩色数码相机拍照及后续图像处理等诊断方法，探索了硼颗粒的燃烧性能，及不同等离子体放电对硼颗粒燃烧性能的影响。主要的研究进展有以下四个方面。.（1）硼颗粒在环境气氛温度大于或等于1520K时达到完全燃烧，火焰呈现明显的黄绿双阶段特征。随着环境温度从1752K下降到1520K，对应的两个阶段燃烧时间分别为0.37-0.80ms和0.67-1.1ms。建立了硼颗粒燃烧过程的化学动力学模型，与实验结果吻合较好。.（2）硼颗粒在环境气氛温度低于1520K时，发生非完全燃烧，即低温氧化反应。火焰为黄色亮条。利用热重分析方法研究发现硼颗粒着火温度在800K以上，且受到多种因素影响。深入研究硼颗粒氧化机理，建立一阶动力学氧化模型，得到相应的活化能。.（3）AC电弧放电等离子体技术能够强化硼颗粒在低温环境下燃烧。当AC电弧放电发生于燃烧延迟阶段时，硼颗粒的燃烧延迟时间会随放电功率从0W增加到56W而线性降低。当AC电弧放电发生于燃烧阶段时，硼颗粒的燃烧时间会大大缩短，且当放电功率大于或等于43W时硼颗粒发生完全燃烧。可见，当放电功率相同时，AC电弧等离子体对硼颗粒的低温燃烧阶段的强化效果要优于其对延迟阶段的强化效果。.（4）DBD低温等离子体技术能够强化硼颗粒燃烧。首先DBD等离子体对硼颗粒有明显的捕捉效应，从而增加了硼颗粒在高温流场区域的停留时间，其次DBD等离子体活性物种可以改变燃烧过程中的化学反应路径，从而强化了硼颗粒的燃烧。与AC电弧放电相比，DBD低温等离子体方法对硼颗粒的燃烧强化效果较弱。综上，影响硼颗粒燃烧性能的主要因素为环境温度。