铝颗粒燃烧实验及理论研究综述

为了对Al颗粒燃烧特性有全面认识,分析了铝颗粒燃烧的实验与理论研究成果。根据相关实验数据得出了铝颗粒在不同条件下燃烧时间分布情况图。阐述了铝颗粒燃烧模型的发展所经历的Dn 模型、Law模型、L-B模型和详细化学动力反应模型的适用性和优缺点,指出了深化铝颗粒燃烧机理的描述对模型改进的作用;为了更好描述Al颗粒在火箭发动机内的燃烧特性,提出了铝颗粒燃烧模型的改进方向以及未来的研究重点。     

铝颗粒氧化机理与燃烧理论研究进展

为对固体推进剂中铝颗粒的点火和燃烧反应提供一定的理论指导,详细介绍铝颗粒的氧化机理和燃烧理论。阐述铝颗粒的两种氧化反应机理:扩散氧化机理和熔散氧化机理,指出不同实验条件导致点火温度差距较大的原因。并通过回顾铝颗粒燃烧模型的发展历程,详细介绍半经验模型、化学机理模型和CFD模型的发展。提出未来铝颗粒氧化机理及燃烧的研究方向为复杂氧化气氛下(CO_2和H_2O)的氧化机理及模型研究、促使铝颗粒发生熔散反应的研究、铝颗粒燃烧的CFD模型研究。     

纳米铝基金属燃料推进剂燃烧稳定性研究

针对高金属含量纳米铝基燃料推进剂在实验过程中出现的非均匀燃烧、爆燃甚至爆炸等问题,基于理论分析的方法,深入研究了纳米铝基金属燃料推进剂燃烧过程及燃烧机理,采用推进剂制备与燃烧实验及数值仿真计算的方法进一步验证颗粒尺寸、形貌对推进剂燃烧稳定性的显著影响。在保压时间45 min,最大荷重67 kN,最大压强213.6 MPa制备条件下,对两种不同产地型号的纳米铝粉原料进行燃烧实验对比,结果表明,不同产地颗粒,在尺寸规格、实验环境相同条件下,金属推进剂稳态燃烧时反映燃烧性能的Nusselt数、Sherwood数、蒸发速率、燃烧速率和燃烧时间、比燃速等参数差异明显,在纵横比为10时,扁椭球颗粒的最大燃速1.3×10^-13 kg/s,而长椭球颗粒燃速大约高达3.0×10^-13 kg/s,约为扁椭球颗粒燃速的2.3倍,甚至出现爆燃现象,颗粒粒径、形貌(椭球形颗粒)分布的均一性是影响推进剂爆燃的重要因素。该研究可为纳米铝基金属燃料推进剂优化设计提供参考。     

铝镁贫氧推进剂中铝颗粒团聚特性

为了研究铝镁贫氧推进剂中铝颗粒燃烧的团聚行为和特性,采用扫描电子显微镜和光学可视化实验方法,对铝镁贫氧推进剂的燃烧过程、铝颗粒团聚产物的微观结构和粒径进行了研究,建立了铝团聚物尺寸预测模型并与实验数据进行了拟合。结果表明,在燃烧表面形成的铝液滴团聚物脱离燃烧表面后,会发生二次团聚。在1.0 MPa下,推进剂试件燃烧较充分,铝颗粒燃烧后为光滑的球状氧化铝颗粒,镁颗粒燃烧后为白色絮状;在0.2 MPa下,推进剂试件燃烧不充分,铝颗粒没有被完全氧化,表面较粗糙。随着燃烧室压强的升高,铝团聚物的体积平均粒径D(4,3)减小,而表面积平均粒径D(3,2)增大,粒径分布趋向单峰化,说明随着压强的增加,D(4,3)和D(3,2)的值越接近,铝团聚物的形状越规则,粒径分布越集中。团聚物粒径与燃烧速率成反比。     

铝液滴在常重力和失重环境下的燃烧（英）

通过一种先进的实验手段研究了铝液滴在常重力和失重两种环境下的点火及燃烧特性。结果表明,重力对铝液滴燃烧的动态特性及燃烧产物的形态结构有较大影响。此外,氧化环境的组分及压力也会影响燃烧产物的颗粒尺寸,粒度分布和形态。     

超细铝粉对NEPE推进剂燃烧性能的影响

采用多种实验技术研究了级配铝粉（含超细）在NEPE推进剂中的燃烧特性,实验结果表明采用含超细的级配铝粉可以有效地改善NEPE推进剂的燃烧性能,提高铝燃烧效率。其原因在于超细铝粉有不同于普通铝粉的燃烧与热化学行为,它倾向于单颗粒燃烧,并且能大幅度提高推进剂热分解放热量。     

硝铵／铝系复合推进剂的燃烧机理

研究了在硝酸铵（ＡＮ）系复合推进剂中添加高氯酸铵（ＡＰ）和铝时的燃烧特性．在ＡＮ系复合推进剂中添加ＡＰ时燃速增加，压力指数几乎不变．热分析结果显示，ＡＮ颗粒与ＡＰ颗粒分别独立分解．燃烧波的温度分布测量结果证明，由于添加ＡＰ，燃烧表面附近的气相温度梯度增大，从气相向燃烧表面的热流量增加．由于热流量的增加引起燃速增加．铝的燃烧效率随ＡＰ添加量的增加而增加，当ＡＰ添加量达４０％（ｗｔ）时燃烧效率急增．     

燃气侧喷冲压发动机补燃室两相流流场计算

利用PDF模型和颗粒轨道模型,对燃气侧喷冲压发动机补燃室两相流流场进行三维数值模拟,其中铝颗粒的燃烧模型采用蒸发扩散模型.考虑颗粒直径、空燃比和颗粒含量的影响,得出了产物组分、温度等发动机参数的变化趋势.结果表明,由于燃气侧喷发动机结构特殊,具有两处扩散火焰峰面,随着液滴颗粒直径的增大,燃烧效率降低,出口温度下降;空燃比越大,燃烧效率越低;随着颗粒含量的增加,颗粒燃烧绝对质量增加,燃烧效率降低.     

球状颗粒的低压渗流工艺研究

首次采用低压渗流凝固装置和球状颗粒来生产泡沫铝,用正交实验方法研究了不同的工艺参数对铝液渗流高度的影响。实验表明:颗粒预热温度的影响最显著,铝液温度和颗粒大小的影响次之,渗流压力的影响不显著。本文还讨论了这四个工艺参数的影响机理。     

铝颗粒在多相流中燃烧的数值模拟

铝颗粒的燃烧细节决定着推进剂的性能。应用Fick第一定律及Fourier定律,对燃烧颗粒中各组分气体的质量与能量扩散过程进行计算,跟踪氧化反应中生成的中间态产物,总结了颗粒尺寸及组分随燃烧时间的变化规律,以及颗粒的燃烧效率等。结果表明,颗粒燃烧初期,反应进行的较为强烈,约60ms后,燃烧趋于平稳,最终,颗粒20%以上的外表面被氧化物所覆盖。     

固体推进剂中铝和硼的燃烧效率

采用密闭弹收集参与固体推进剂燃烧的所有物质并进行滴定分析,测定铝(Al)和硼(B)的燃烧效率,研究铝和硼的燃烧效率随压力和推进剂中氧化剂变化的情况。为了改善硼的燃烧,对加入铝、粒化推进剂和氧化剂的作用进行了试验研究,发现细粒硼粉能改善硼的燃烧。在药条燃烧试验中,硼粒子与硝酸钾(KNO_3)粒化可产生最高的燃烧效率(40％)。当推进剂中硼与铝共存时,硼的燃烧会妨碍铝的燃烧,试验中观察到的这些现象可通过研究金属粒子的凝聚和引燃过程加以解释。     

基于CE/SE方法的铝粉尘爆轰二维两相数值计算

建立了铝粉-空气管内爆轰的二维两相模型.根据守恒元-求解元的思想,构造了铝粉燃烧转爆轰过程的数值计算格式.采用此格式研究了铝粉尘爆轰管内流场,分析了爆轰管内径向与轴向的压力效应、温度以及颗粒相粒径和气相组份的变化.讨论了铝粉/空气燃烧波在爆轰管内碰撞、反射对转爆轰过程的影响.结果表明,爆轰管内火焰阵面和压力阵面能很好地耦合,爆轰管内铝粉和空气能够形成自持传播的爆轰波.本文的数值计算结果对铝粉尘爆轰研究具有理论指导意义.     

硼颗粒点火和燃烧研究进展

综述了国内外硼颗粒点火和燃烧的研究状况;讨论了改善硼颗粒点火和燃烧行为的途径。指出硼表面的氧化物是造成硼点火困难和燃烧效率低的主要因素。在含硼推进剂中使用细粒么匠硼,对硼进行包覆并添加其它组分,可提高硼在推进剂中的利用效率。     

高效燃烧合金材料制备及产品成形技术研究

确定燃烧材料的选材方案,对高效燃烧合金颗粒的表面改性处理技术进行试验研究,分析压制成形过程中高效燃烧合金颗粒的运动、变形及产品密度、尺寸和强度的影响因素。研究表明,高效燃烧合金颗粒对汽油、煤油、天然植被和棉织等具有引燃功能,改性处理后高效燃烧合金颗粒的引燃温度有所提高,双向压制可以改善高效燃烧合金制品的密度和强度。     

铁含量对弹用燃烧合金颗粒制备的影响

通过弹用燃烧合金颗粒制备实验,研究燃烧合金颗粒的形貌、制备难易程度、利用率与海绵锆中铁含量的关系。结果表明:铁含量直接影响燃烧合金颗粒的形貌、制备难易程度和利用率,在其他成分符合标准的前提下,铁含量越高,燃烧合金越不易破碎成所需的颗粒;铁含量较低时,燃烧合金容易破碎且颗粒形貌呈海绵状,制备的燃烧合金产品表面光洁、强度高。     

用熔铸法制备金属基颗粒复合材料

本文深入地研究了以铝-石墨为代表的金属基颗粒复合材料的制备途径与工艺,指出制备成功的关键是解决颗粒与金属液的相互润湿与结合,以达到颗粒顺利地进入和分散,以及在整个制备和凝固过程中不发生偏析和聚集。用座滴法测定了温度、合金成份等主要因素对铝-石墨润湿性的影响,并对导致混合和分散的其它因素进行了分析,同时用Stokes公式分析和实验测定了影响颗粒偏析的因素,得出用旋涡法混制再用挤压铸造成型是最理想和实用的制备方法。最后通过铝-石墨复合材料制备实践验证了上述理论分析的正确性。     

铝粉粒度和含量对NEPE推进剂燃烧产物颗粒阻尼的影响

为研究铝粉粒度和含量对NEPE推进剂燃烧产物颗粒阻尼的影响,采用密闭弹燃烧法收集了NEPE推进剂的凝相燃烧产物并开展粒度分析,根据Culick线性颗粒阻尼理论计算了燃烧产物对声不稳定燃烧的颗粒阻尼。结果表明,铝粉的粒度和含量均显著影响NEPE推进剂燃烧产物对声不稳定燃烧的颗粒阻尼,主要是由于铝粉粒度和含量影响了凝相燃烧产物的粒度分布。对一定频率声不稳定燃烧,凝相燃烧产物中粒径处于[1/2D_(opt),2D_(opt)](D_(opt)为最佳颗粒粒径)区间的颗粒质量分数越高,燃烧产物的颗粒阻尼效率系数越大,产生的颗粒阻尼越大。燃烧产物中凝相燃烧产物的质量分数是决定颗粒阻尼大小的因素之一,与推进剂中铝粉含量呈正相关。     

制备梯度结构来提高HMX/Al复合材料的燃烧和压力输出性能（英）

含铝炸药因其高能量密度和压力输出而被广泛应用。为了调控和提高含铝炸药的二次燃烧反应和压力输出,以竹子的微观结构为灵感设计了具有分级结构的HMX/Al径向梯度药柱,使用3D打印技术制备了不同铝含量和不同铝颗粒尺寸的HMX/Al径向梯度结构药柱,研究了Al含量和粒径分布对HMX/Al梯度结构燃烧性能和压力输出的影响。结果表明,当HMX/n-Al（160 nm）径向梯度结构按照从中心层向外层Al的质量分数分别为10%、20%和30%分布时,内层的燃烧反应和火焰传播速度比外层更快;其密闭空间内由于气体释放而获得的压力（2337.61 kPa）高于反向分布的梯度结构药柱。当HMX/Al径向梯度结构按照从中心层向外层Al粒径依次为10 μm-Al,5 μm-Al和n-Al分布时,梯度结构药柱的燃烧过程比较缓慢,可以看到单独铝颗粒的燃烧现象。当中间层为n-Al时,HMX/Al径向梯度结构具有最大的压力输出（1512.65 kPa）,高于均相的HMX/Al药柱;当中间层为10 μm-Al时,获得了具有双重峰的压力输出。     

含氟有机添加剂对含铝聚醚推进剂燃烧凝聚相产物的影响

为了抑制高含铝推进剂燃烧凝聚相产物的团聚,将含氟有机添加剂加入到含铝聚醚推进剂中,用高速摄像装置研究了推进剂药条的燃烧情况。利用扫描电子显微镜/能谱仪、激光粒度分析仪、X-射线衍射仪、实时粒度测试仪研究了含氟有机添加剂对推进剂燃烧凝聚相产物形貌、粒径、成分和燃烧实时粒度的影响。结果表明：含氟有机添加剂的加入,有助于减少燃烧铝颗粒的尺寸,能明显减少大尺寸凝聚相粒子的生成,在7 MPa时,加入2%的含氟有机添加剂,燃烧凝聚相产物的平均粒径D₅₀从5.83 μm减小到3.06 μm;X-射线衍射仪测试结果显示,含氟有机添加剂的加入导致燃烧凝聚相产物中α-Al₂O₃晶型和θ-Al₂O₃晶型几近消失,主要形成γ-Al₂O₃和δ-Al₂O₃晶型。     

爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型

为分析黑索今（RDX）基含铝炸药中铝粉的颗粒尺寸对炸药冲击点火的影响,以及建立该含铝炸药冲击点火的细观反应速率模型,开展了含铝炸药冲击起爆的实验和数值模拟研究。设计5 μm、 16 μm、40 μm和100 μm不同铝粉粒径,具有相同组分配比和RDX颗粒尺寸的4种炸药配方,对4种RDX基含铝炸药进行了冲击点火起爆实验;通过合理假设,提出RDX基含铝炸药的细观点火模型,并在考虑点火增长的基础上,完善细观反应速率模型,利用细观反应速率模型和含铝炸药的I&G模型对上述实验进行了数值模拟。实验和数值模拟结果表明：对于100 μm、 40 μm、 16 μm和 5 μm粒径铝粉含铝炸药,铝粉在CJ面前的反应度分别为0.80%、2.45%、3.20%和4.15%;随着RDX基含铝炸药中的铝粉尺寸减小,铝粉在CJ面前的反应速率增快,炸药中的前导冲击波传播速度变快且压力峰值增高,压力峰值的出现时间与前导冲击波到达时间的间隔减短,炸药的冲击感度提高;与I&G模型相比,细观反应速率模型计算的压力历史与实验结果更为吻合;细观模型能较好地模拟较大尺寸颗粒铝粉（铝粉尺寸大于炸药颗粒尺寸的1/10）的反应特征,对于100 μm和40 μm铝粉粒径含铝炸药,模拟计算每个拉格朗日位置的前导冲击波到达时间、压力峰值时间和压力峰值等参量与实验结果相差不超过10%。