高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧过程研究

Boron-based fuel-rich propellant is of high-energy density propellant which has a widespread application prospect in the propulsion system of spacecrafts and missiles. However, the mechanism of the boron particle ignition and combustion process in high-speed convective flow is still not recognized. This problem will be studied in the secondary combustor simulator of the ducted rocket by experimental research, together with theoretical analysis and numerical simulation. Based on the relevant investigations of the boron particle ignition and combustion process in static atmosphere conducted, an experimental apparatus for studying the ignition and combustion mechanism of boron particle in high-speed convective flow is to be built. The regularities of key parameters such as the ignition position and the position of the flame front will be studied. But emphasis is to be placed on the study of the impact of hydrodynamic factors such as the flow speed and pressure on the ignition delay time and the combustion time. An ignition model and a combustion model for boron particle in high-speed convective flow will be developed subsequently based on the experimental results and theoretical analysis. The mechanism of the boron particle ignition and combustion process in high-speed convective flow will be obtained then. The study to be conducted will contribute to the investigation of the iginition and combustion process in the secondary combustor of the ducted rocket.

含硼富燃料推进剂是一种高能量密度推进剂，在航天和导弹推进系统中有着广泛应用前景，但高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧机理还不甚清楚。本项目以含硼富燃料推进剂固体火箭冲压发动机补燃室燃烧过程为研究对象，拟以试验为主，结合理论分析与数值模拟，开展高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧过程研究。在国内外静止气氛下硼颗粒点火和燃烧过程研究基础上，建立高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧过程试验方法，分析静止气氛和高速对流环境下不同直径的硼颗粒点火和燃烧过程中着火发生位置、燃烧火焰结构等关键参数变化规律，重点分析气流速度、环境压力等流体动力学因素对硼颗粒点火延迟时间、燃尽时间的影响。结合理论分析和试验研究，合理推断高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧过程，建立其点火和燃烧模型，掌握高速对流环境下硼颗粒点火和燃烧过程控制机制，探讨有效促进硼颗粒快速点火和燃烧的方法，为开展硼颗粒在发动机中点火和燃烧过程研究奠定基础。

考虑到固冲发动机内可能存在的颗粒聚团现象，系统开展了相对静止气氛下硼颗粒聚团的着火过程研究。考虑聚团内部气相扩散及聚团与周围环境的传热过程，建立了硼颗粒聚团着火模型，详细分析了环境压力、气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒与聚团的粒径比对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。.考虑强迫对流下硼颗粒外部的气流剪切作用、表面有限化学反应动力和颗粒内核的热传导等物理化学过程，建立了强迫对流下硼颗粒着火模型，分析了来流速度、环境温度、环境压力等参数对硼颗粒着火过程的影响。研究表明，在一定工况条件下，来流速度越大、环境温度越高、环境压力越大，硼颗粒越容易实现着火。.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物理模型和数值仿真方法，系统研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数、环境压力等因素对硼颗粒燃烧速率的影响。研究表明，在强迫对流作用下，硼颗粒的燃烧速率随来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数、环境压力的增加而增大。基于大量数值仿真结果，拟合得到了无量纲化的强迫对流下硼颗粒燃烧速率公式，也具有较高的工程应用价值。.基于经典的凝结形核理论，建立了气相B2O3 凝结过程动力学模型；基于多步反应机理，考虑气相流动、扩散作用，建立了强迫对流下硼颗粒燃烧过程物理数学模型和相应的数值仿真方法。研究表明，在强迫对流作用下，硼颗粒的燃烧火焰呈轴对称结构，空间气相反应相对表面反应较弱，且加上强迫对流作用，气相生成物主要停留在颗粒尾部，形成了“气相尾焰”结构。在本文的研究范围内，影响硼颗粒反应速率的各表面基元反应的反应速率均随来流速度、环境压力、环境中氧气质量分数的增加而加大，但环境温度对硼颗粒表面上各基元反应的反应速率影响不大。.进行了一系列的硼着火燃烧试验研究，发现了气相B2O3的凝结现象，观测到了硼表面致密氧化层的形貌特征。初步开展了强迫对流下硼着火燃烧过程试验研究，获得了强迫对流下硼燃烧过程的火焰形貌，研究了颗粒初始温度、气流速度、氧气浓度等参数对硼着火燃烧过程的影响，并分析了各因素的作用机制。试验结果表明，在一定工况下，强迫对流作用会促进硼的燃烧。最后，通过实验结果与数值仿真结果的对比，初步验证了本文所建模型和数值仿真方法的正确性。