一种非理想多相共存体系平衡的通用计算方法

基于最小自由能法,给出了一种适用于复杂的非理想、气液固三相共存、电解液或非电解液混合物的相平衡通用计算方法.根据热力学基本关系式,在多组分体系中元素和电荷守恒的约束条件下,最小化吉布斯自由能,通过SQP方法来解此有约束的非线性优化问题,通过迭代法求解反应后的温度.平衡计算结果包括温度、密度、组分浓度等.某新型热动力系统中采用的Li/SF6高能液体金属燃料,应用本文方法,获得了相平衡计算结果.     

应用Gibbs自由能最小法研究Li/SF6气液浸没燃烧反应

基于Gibbs自由能最小法,对某新型热动力系统采用的L1/SF6气液浸没燃烧反应的相平衡进行了分析计算。根据热力学基本关系式,在多组份体系中元素和电荷守恒的限制条件下,最小化吉布斯自由能,通过拉格朗日倍乘法来解此有约束非线性优化问题,平衡计算结果给出了温度、密度、组分浓度等与混合分数的关系。本文方法同样适用于复杂的非理想、多相流、电解液或非电解液混合物的相平衡计算。     

Al/Ni反应性多层复合膜的燃烧速率实验及计算模型

采用改进的Mann模型,计算了Al/Ni比例(1∶1,1.5∶1,3∶1)、预混层厚度、反应初始温度对复合膜燃烧速率的影响。通过磁控溅射法制备了相同比例的Al/Ni复合膜,测量了其燃烧反应速度。结果表明:随着Al含量的增加,复合膜燃烧速率减小;存在一个临界厚度,在临界厚度点复合膜燃烧速率最大。且当调制周期小于临界值时,燃烧速率与调制周期成正比,而当调制周期大于临界厚度时,复合膜燃烧速率与调制周期成反比;随着反应初始温度增高,Al/Ni反应性多层复合膜的燃烧速率增大。实验结果验证了模型的有效性。     

基于流动与化学反应耦合的镁/聚四氟乙烯烟火剂二维燃烧模型及数值计算

针对镁/聚四氟乙烯(MT)烟火剂燃烧过程中湍流对燃烧的影响关系,建立流动与化学反应相耦合的二维计算流体力学模型,模拟不同质量比MT烟火剂稳态燃烧过程,获得了燃烧场温度、组分分布特性,并将计算结果与文献\[10,16,18\]值进行对比。对比结果表明：燃烧场温度上升段大约20 mm, 这与文献\[10\]实验值吻合较好,且温升段距离与反应机理C₂F₄+M2CF₂+M区域位置相对应;当量质量比为33/67的MT火焰温度最高,与热力计算结果相一致,随着质量比的增加,存在不完全反应;燃料Mg的消耗主要通过与CF₂的氧化反应,Mg与F的反应过程不能忽略,且随着质量比的增大,燃烧产物MgF的比例减少。     

V-M(M=Li,Na,K,Sc,Ag)二元系的相图热力学研究

基于文献报道的实验数据,采用相图计算(CALPHAD:CALculation of PHAse Diagrams)方法对V-M(M=Li,Na,K,Sc,Ag)5个二元系进行相图热力学研究。通过热力学优化计算获得了一套描述液相、(V)、(Li)、(Na)、(K)、(αSc)、(βSc)和(Ag)相的热力学参数。V-Li、V-Na和V-K体系中的气相视为由组元V、Li、Li2、Na、Na2、K和K2混合的理想气体。与实验相图数据对比表明,获得的热力学参数能够准确地描述实验相平衡数据。     

温度和压力对煤油燃烧反应诱导时间的影响

煤油作为航空航天发动机的理想燃料,其点火特性对动力装置的研制至关重要。本文开发了等容绝热燃烧的化学动力学计算软件,可进行包含准总包反应的燃烧机理计算。采用8组分19步反应计算了氢-空气燃烧,采用10步准总包简化反应机理计算了煤油-空气燃烧,计算结果与实验结果符合较好。计算了不同初温和压力条件下煤油的反应诱导时间,结果表明,初温和压力对煤油反应诱导时间的影响都很大;温度和压力的提升会使反应诱导时间迅速缩短;初始压力为18 MPa时反应诱导时间只有5. 3μs,而101. 325 kPa时的反应诱导时间长达800μs。     

B/KNO3燃烧性能参数计算

B/KN03点火药具有燃烧热值高、点火能力强以及安全钝感等特点,在直列式点火系统中有较广泛的应用。对B／KN0燃烧性能参数进行理论计算,有助于指导这类点火系统的设计。本文利用VLW状态方程和最小自由能原理对B/KN03的燃烧性能参数进行了计算。计算前,采用最小二乘法对JNNAF热力学函数表中的有关数据进行拟合,得到了硼系氧化产物的标准焓和标准熵的温度函数系数。计算得到装填密度为0.31 g／cm3的B/KN03火药力、余容以及最大燃烧压力为2.145×lo5 J/kg、4.47×10 -4 m3/kg和78.23 MPa,分别与密闭爆发器实验值2.116×105 J/kg、4.418×10 -4 m3/kg和76 MPa接近。     

六种蓝光烟火药的热力学研究

为了比较不同蓝光烟火药的发光效果和探讨配方优化设计的新方法,利用REAL热力学计算程序对六种蓝光烟火药进行了热力学研究,建立了蓝光烟火药燃烧反应焓与火焰温度和辐射光子数之间的关系,根据计算得到的燃烧火焰温度和辐射蓝光的光子数,优选了蓝光烟火药配方及配比。结果表明,六种不同蓝光烟火药的燃烧温度为1651～2880 K,这与利用NASA-CEA程序的计算结果一致,在最大波长处辐射的光子数为0.02011～0.0435 mol·kg~(-1),且产生蓝色火焰的主要辐射体为CuCl。借助蓝光烟火药的燃烧反应焓、火焰温度和辐射光子数之间的函数关系式,计算得出含KClO_3、2CuCO_3·Cu(OH)_2和S的蓝光烟火药燃烧温度为1651 K,辐射光子数为0.0435 mol·kg~(-1),在六种配方中其蓝光辐射效果最好,该配方的最佳配比为KClO_3/2CuCO_3·Cu(OH)_2/S=63/19/18,为其它火焰烟火剂的设计和优化提供了一种新的方法.     

考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算研究

为了研究后燃烧效应对爆炸场参数的影响规律,提出一种考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算方法,将简化的反应率模型,耦合到三维两组可压缩欧拉方程中近似考虑后燃烧效应。并通过建立气体内能与热容之间的关系求得瞬态温度,根据热力学关系建立绝热指数计算公式。基于FORTRAN平台,采用五阶WENO有限差分格式,自主开发考虑后燃烧效应密闭空间内炸药爆炸场三维数值计算程序。基于所开发的程序数值探讨内爆炸场演化过程及后燃烧效应对爆炸场参数计算的影响。结果表明:(1)准静态温度、绝热指数及超压数值解与考虑后燃烧效应的理论解吻合较好,相对误差小于5%,初步验证了所开发程序的可靠性。(2)后燃烧效应在内爆炸场数值模拟中需要引起足够的重视,同一内爆炸工况下,准静态温度、绝热指数及超压数值解与不考虑后燃烧效应的理论解误差分别高达25%,6%,31%。     

二羟基乙二肟对硝酸胍/碱式硝酸铜气体发生剂燃烧性能的影响

选择燃烧温度较低的硝酸胍(GN)/碱式硝酸铜(BCN)为气体发生剂基础组分,二羟基乙二肟(DHG)为降温剂,通过测量燃烧温度,以及对其热分解和燃烧产物表面形貌进行分析,研究了DHG对GN/BCN气体发生剂燃烧性能的影响。结果表明,DHG的分解作用影响了GN/BCN体系的分解温度和燃烧反应,加入5%DHG的GN/BCN气体发生剂燃烧温度从1062.13℃降低到1005.19℃,4MPa压力下燃速升高了34.44%,燃烧产物表面有大量的Cu纳米线生长,且结构多孔。     

遗传算法在燃烧产物平衡组分计算中的应用

基于化学平衡原理,在最小自由能法求解的基础上,通过引入遗传算法,确定自变量的选取以及其变化范围,明确了适应函数,建立了燃烧产物平衡组分计算方法,并应用文献数据与实验结果对计算结果的准确性进行验证。结果表明:贫氧化合物(TNT,Tetryl,TNBA)燃烧产物组分含量与燃温的计算结果与文献值的误差分别在1%与1.5%以内,富氧化合物(RDX,PETN,Nitromethane)燃烧产物组分含量与燃温的计算结果与文献值的误差分别在7.7%与5%以内,不同Cs NO3含量的丁羟等离子推进剂爆热计算结果与实验测试结果的最大误差为4.27%。该方法可为火炸药配方设计、性能预估以及燃烧产物组分种类的确定等提供重要手段。     

铝粉形态学特征对Al/KClO4燃烧性能的影响

铝粉形态学特征是影响含铝点火药燃烧性能的关键因素.采用差示扫描量热法研究了不同形貌和粒度的铝粉在Al/ KClO4点火药体系的热分解行为及燃烧反应机理,得到了体系晶形转化、熔化、界面液相反应、气相氧化4个阶段的热分解反应方程式;从热分解温度、燃烧热、燃烧速度3个方面,分析了铝粉形态学特征对点火药燃烧性能的影响,得到了体...     

低烟雾信号特征的无硫黑火药研究

采用重结晶法制备了K0.333(NH4)0.667NO3复盐,运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)能谱和差热分析(DSC)等方法对复盐的微观形貌和晶体结构进行了表征。运用最小自由能原理,以燃烧温度、燃烧热、平衡态固相产物含量为目标函数,计算了K0.333(NH4)0.667NO3/C12H4O2体系燃烧热力学参数,设计出低烟雾输出点火药配方,对优化后配方的火焰感度、燃烧热效应进行了对比测试。结果表明:两种氧化剂达到了在分子间的均匀混合,晶型有序性高,热分解特征温度降低。与KNO3/C12H4O2点火药相比,K0.333(NH4)0.667NO3/C12H4O2点火药的火焰感度、燃烧热效应的降低值小于10%,而燃烧固相产物含量大幅度降低,烟雾信号特征减弱,对1.06μm激光的衰减率下降了73.9%。     

变燃速发射药膛内燃烧与内弹道过程研究

为了更好地描述与研究变燃速发射药膛内实际燃烧与内弹道过程,对30 mm火炮在两种装药量下应用内弹道势平衡理论求其势平衡点的位置及该点处的各参数。以坡膛处实测压力—时间曲线为标准求变燃速发射药膛内燃气的实际燃烧生成函数,用膛内实际燃气生成函数代替几何燃烧定律假设下的燃气生成函数,求解以势平衡态作为标准态的内弹道相似方程,并转化为弹道解。结果表明:应用内弹道势平衡理论描述和分析变燃速发射药膛内燃烧规律是可行的,拓展了其适用范围;通过对实际燃气生成函数的分析可以定性和定量地判断与研究变燃速发射药的燃烧性能;以变燃速发射药膛内实际燃气生成函数为基础求出弹道解具有准确性和可操作性。     

深钝感球扁药混合装药的势平衡理论模拟

应用势平衡理论及深钝感球扁药混合装药膛内实际燃烧规律,建立了某火炮球扁药混合装药的内弹道解法,以坡膛处测得的压力时间曲线为标准,利用势平衡理论内弹道方程进行了数值模拟,结果表明模拟计算曲线与火炮实测曲线基本一致.数值模拟的结果表明内弹道势平衡理论在本研究中提出的高装填密度装药系统中的应用是可行的,扩展了内弹道势平衡理论的应用范围.     

推进剂初始温度影响液体火箭发动机燃烧稳定性的数值模型

对自然推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）初始温度对火箭发动机燃烧稳定性的影响进行了研究,从推进剂初始温度对蒸发速率的影响规律出发,发展了初始温度大小影响蒸发速率的物理模型。燃烧流动过程应用圆柱坐标系下的两相湍流化学反应Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程来描述,控制方程是用限体积法在任意曲线坐标系下进行离散,计算采用ＴＭＭ方法生成的正交网格。完善了一种压力隐式算子分裂算法,使之应用到燃烧过程和不稳定燃烧中,提高了计算的精度和稳定性;以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞来分析燃烧不稳定性。应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,之后对推进剂初始温度对燃烧稳定性的影响进行了数值研究,得到其对振荡的敏感分析,并给出燃烧稳定性的极限图,说明了该物理模型和算法的可靠性。     

催泪弹药剂焚烧销毁参数的确定

为了能安全有效地销毁废旧催泪弹,确定最佳的焚烧销毁参数,根据最小自由能法计算了催泪弹药剂在不同温度,空气过量系数分别为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0下发生燃烧反应的平衡产物,验证了焚烧炉焚烧法销毁废旧催泪弹的可行性。并对烟气中相关生成物的浓度变化规律进行了研究和讨论,分析确定了催泪弹药剂安全焚烧销毁所需的最佳焚烧温度为1473 K及空气过量系数为1.6。     

环境压力降低对底排二次燃烧影响的数值模拟

为了揭示高空低压环境下底排减阻率减小的机理,建立底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组,对底排尾部流场进行数值模拟。模拟结果和实验进行对比验证,基本吻合。在此基础上,对底排尾部流场以及燃烧特性进行数值预测,研究环境压力降低对底排尾部二次燃烧的影响。结果表明：二次燃烧对底部加能的贡献是热排气的6.4倍,是底排加能减阻的关键;随着环境压力的降低,模型尾部的环状回流区内H₂的燃烧效率逐渐降低,中间产物H逐渐增多,燃烧逐渐变得不充分,导致底排减阻率明显下降。