固体火箭冲压发动机补燃室内硼颗粒点火计算研究

采用King硼颗粒点火模型,研究固体火箭冲压发动机补燃室内温度、压强、氧气摩尔浓度、硼颗粒初始半径对硼颗粒点火的影响。计算结果表明:当颗粒初始条件确定后,存在一个颗粒点火所需的最低环境温度;当氧气摩尔分数比较低时,增加环境总压,颗粒点火时间增加;当氧气摩尔分数比较高时,增加环境总压,颗粒点火时间反而减少;增大颗粒半径后,颗粒点火时间也增加;当环境温度升高时,颗粒点火时间显著减少。

团聚硼颗粒在HTPB富燃料推进剂中的流变特性

为了探索球形团聚硼颗粒的制备效果,对端羟基聚丁二烯(HTPB)黏合剂、不同类型的团聚硼颗粒与HTPB黏合剂以一定质量配比形成的悬浮液,以及含团聚硼颗粒HTPB富燃料推进剂流变特性进行了对比研究。结果表明,HTPB黏合剂的表观黏度随温度的升高而降低,最终趋于某一定值;在一定温度下,无定形硼粉经团聚改性后,团聚硼颗粒与HTPB形成悬浮液的表观黏度和屈服值较团聚前降低,且两者均随时间的增加而增加;采用含团聚硼颗粒的富燃料推进剂药浆的流变特性大大改善,有利于含硼富燃料推进剂能量的提高和燃烧性能的改善。

团聚硼颗粒与不同黏合剂的表-界面作用

用DCAT 21型表面/界面面张力仪测试计算了团聚硼颗粒(ABP)、叠氮缩水甘油聚醚(GAP)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、高氯酸铵(AP)和铝粉(Al)的接触角和表面自由能。基于所得表面自由能数据,通过计算粘附功和铺展系数,研究了团聚硼颗粒分别与GAP、HTPB、AP和Al粉之间的表-界面作用。结果表明,ABP-GAP和ABP-HTPB界面之间的粘附功(61.38mN/m和60.98mN/m)大于ABP-AP和ABP-Al粉界面的粘附功(51.56mN/m和55.12mN/m),其铺展系数(21.98mN/m和20.27mN/m)大于ABP-AP和ABP-Al粉的铺展系数(7.50mN/m和6.49mN/m),而且团聚硼颗粒分别与GAP、HTPB、AP和Al粉界面之间的相互作用大小顺序依次为:ABP-GAP>ABP-HTPB>ABP-Al粉>ABP-AP。

硼颗粒在固冲环境中点火过程影响因素的数值模拟

采用修正的Williams硼颗粒燃烧模型对固体推进剂燃烧环境条件下的硼颗粒点火进行了数值模拟,计算了环境温度、气相氧化剂种类和分压、颗粒初始半径及氧化层厚度对硼颗粒点火的影响。结果表明,环境温度升高可以缩短硼颗粒点火延迟时间和点火时间;环境中氧分压过大会延长点火延迟时间;水蒸气分压越大,点火时间越短;硼颗粒半径增大会导致氧化层厚度增大进而延长点火时间和点火延迟时间。

硼颗粒的包覆机理及工艺研究进展

阐述了不同包覆材料对硼颗粒的包覆机理,从5个方面总结了硼颗粒包覆材料的选取原则,包括:去除硼颗粒表面氧化膜、提高燃烧温度、降低硼的点火温度、提高表面相容性、催化硼颗粒的氧化反应。总结了沉淀法、表面反应包覆法、高分子吸附聚合法、气相包覆法和机械球磨法等多种硼颗粒包覆工艺的研究状况,分析并比较了不同工艺的作用机理和实际应用效果。介绍了现代硼颗粒表面包覆效果测试技术的特点和应用范围。评述了目前硼颗粒包覆技术的研究现状和不足,并对未来的研究方向进行了展望。

硼颗粒点火与燃烧性能的研究进展

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.但是其燃烧过程存在两大问题:较差的点火性能和较低的燃烧效率,从而限制了硼在实际中的应用.本文从实验和理论两方面综述了近年来国内外硼颗粒燃烧性能研究的进展.并指出了目前存在的问题及努力的方向.

前驱体法制备六方氮化硼颗粒及高温精制

以三聚氰胺和硼酸为原料,通过共沉淀法合成了二硼酸-三聚氰胺,在最佳工艺条件下以二硼酸-三聚氰胺为前驱体在氨气气氛中烧结制得六方氮化硼颗粒。采用IR、XRD、TG、SEM等测试方法对中间物和产物进行了表征,确定了中间物及产物的组成、物相、粒度及形貌。研究结果表明:以二硼酸-三聚氰胺为前驱体在1200℃烧结4h,可制得高纯度、晶型好的六方氮化硼。经过高温精制后的六方氮化硼颗粒具有较高的结晶度和致密度,其粒径可以达到20μm以上,纯度为98.5%。

固冲发动机补燃室内硼颗粒点火和燃烧数值研究

采用颗粒轨道模型进行了含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补燃室内简单反应流模型,并在该模型下对某实验发动机进行了模拟,得出颗粒在补燃室内的分布,结果表明:进入头部回流区的硼颗粒能够快速点火,并且颗粒直径增大后,点火时间增加,颗粒燃烧效率显著降低.

六方氮化硼颗粒制备方法研究进展

概述了六方氮化硼颗粒制备方法及研究现状。介绍了先驱体法、化学气相沉积法、传统高温法、水(溶剂)热法等不同的制备方法,对合成六方氮化硼颗粒的工艺条件对颗粒形成的影响做了深入的综述。经过分析进一步得出高温精制及在焙烧时加入适量的助剂将会提高产物的结晶度和纯度,指出了各种制备方法的优劣及如何避免合成中存在的问题,并进一步展望了各种制备方法的前景。

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究(英文)

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。

固冲补燃室团聚硼颗粒燃烧试验

研究团聚硼颗粒在补燃室中的点火燃烧对提高固冲发动机性能具有重要意义。通过试验模拟固冲发动机工作过程的方法,开展了补燃室流场条件下的团聚硼颗粒点火燃烧试验。结合高速火焰图像处理技术和流场参数测量结果,对试验中团聚硼颗粒的点火燃烧状态、火焰结构以及颗粒尺寸变化等进行了分析,获得了补燃室燃气温度和氧气含量等因素对团聚硼颗粒点火燃烧过程的影响机制。对燃烧残渣进行了分析,发现燃烧前后颗粒尺寸变化不大,燃烧过程中高温气流可能进入了颗粒内部并与硼颗粒发生反应。

硼颗粒点火燃烧特性研究进展

硼的质量热值和体积热值极高,作为金属燃料使用具有显著的能量优势。如何充分释放硼氧化的高热量成为其应用推广的关键问题。基于半个世纪以来国内外的相关研究成果,论述了硼颗粒点火燃烧的主要过程与机理,分析了硼点火燃烧特性的影响因素与促进方法,评述了硼点火燃烧模型和数值计算的研究进展。对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,并对未来研究的重点及改进方向进行展望。

不同粒径团聚硼颗粒的堆积密度研究

对团聚硼颗粒进行筛分,测量并研究了不同粒径团聚硼颗粒的松散堆积密度和振实堆积密度,采用电子扫描显微镜对团聚硼颗粒的表面形貌进行了观察。结果表明,无定形硼粉经团聚后,颗粒粒径增大,松散堆积密度和振实堆积密度均提高;随团聚硼颗粒粒径的减小,两种堆积密度均先减小后增大,当颗粒粒径在0.25 mm<d≤0.30 mm范围,颗粒的振实堆积密度达到最小;颗粒粒径在d≤0.104 mm范围,振实堆积密度达到最大;颗粒粒径在0.30 mm<d≤0.84 mm范围,颗粒的松散堆积密度达到最小,此时,团聚硼颗粒的振实堆积密度较松散堆积密度相对于其他颗粒粒径增加的程度最大。

团聚硼颗粒表面粗糙度和粒径分布对富燃料推进剂药浆流变性能的影响

计算了固体颗粒表面粗糙度和粒径分布分形维数,研究了团聚硼颗粒表面粗糙度和粒径分布与分形维数、富燃料推进剂流变性能的关系。结果表明,团聚硼颗粒的表面粗糙度越小,其分形维数越小;团聚硼颗粒的粒径中值越大,细粒度的团聚硼颗粒含量越少,其分形维数越小,含硼富燃料推进剂的工艺性能越好。

基于多层氧化层结构的硼颗粒点火模型研究

为了研究相关因素对硼颗粒点火过程的影响规律,基于多层氧化层结构,改进了硼颗粒的点火模型。该模型考虑了颗粒氧化层表面物质成分的变化、表面火焰面形成的物理过程,模型计算结果与实验数据具有较高的吻合度。应用该模型研究了环境压强、颗粒直径、气相氧化剂浓度以及环境温度对硼颗粒点火过程的影响规律。结果表明,环境压力越大,颗粒点火时间越短;颗粒粒径越大,颗粒表面氧化层越厚,从而延长了颗粒的点火时间;在较大颗粒直径(>5μm)下增加环境内氧气浓度有利于颗粒点火,对小颗粒直径(≤5μm)则无明显影响;水蒸气浓度越大,颗粒点火时间越短;环境温度越高,越有利于颗粒点火。

固冲发动机补燃室内硼颗粒流碰撞过程分析

为研究固体火箭冲压发动机补燃室内颗粒流撞击掺混过程,文中从微观角度对颗粒碰撞过程进行了受力分析,选取了影响碰撞过程的主要作用力(粘性力和碰撞力)的计算模型,对补燃室内颗粒流的运动状态进行了数值模拟,从力学角度对碰撞结果进行了分析。结果表明,d1=1μm和d2=10μm的硼颗粒在补燃室入口处的一次碰撞不会团聚,碰撞后反弹,然后再碰撞,在这个过程中消耗能量,相对速度减小,直至当促使分离的碰撞力小于促使结合的粘性力时,颗粒团聚。

相对静止气氛下硼颗粒着火过程

针对相对静止气氛下单颗粒硼的着火过程展开了系统研究,考虑硼颗粒周围径向气相流动以及硼颗粒与周围环境间的传热和传质过程,建立了一维硼颗粒着火模型。分析了硼颗粒在实现着火和未能实现着火两种典型情形下的颗粒相、气相组分参数以及颗粒外表面上Stefan流的变化规律,并对其成因展开了分析。研究表明,在实现着火和未能实现着火两种典型情形下,硼颗粒外表面的Stefan流都会经历先由周围空间流向颗粒表面,而后变为由颗粒表面流向周围空间的过程;考虑颗粒外表面处气相Stefan流作用后,硼颗粒的着火延迟时间减少,且压力越大,影响越大。

氧化性气氛中硼颗粒点火模型研究综述

介绍了硼颗粒在氧化性气氛中的点火特性。依据硼颗粒的点火机理及相应的化学反应,从不同的思路阐述了两种模型的处理过程和方法,着重分析了硼颗粒氧化层的产生和消耗及其影响因素,建立了两种模型的数学处理方法,并对此两类模型进行了分析比较。

碳对无定形硼颗粒的点火燃烧特性影响

碳是硼一次燃烧产物的主要成分,对硼的二次点火燃烧有重要的影响。采用热重差示量热扫描(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)和激光点火试验系统研究了不同配比的碳对无定形硼颗粒点火燃烧特性的影响。试验采用的硼、碳混合样品碳含量分别为0%、10%、20%、50%和100%,结果表明,碳的添加降低了样品加热过程中的增重量。碳含量对加热过程的影响是复杂的。当样品的碳含量不大于10%,样品的氧化反应推迟,放热量增加。当样品的碳含量进一步升高,又会使样品的氧化反应提前,放热量减少。在氧气气氛下,随碳含量的增加,样品的燃烧峰值强度减弱,燃烧时间从2436 ms增加到2909 ms,但碳对样品的点火时间的延迟较小,最多不超过3 ms。样品燃烧产物呈黑色块状固体,主要成分有氧化硼和单质碳等。对样品燃烧产物的分析表明,样品的点火燃烧反应并不充分。

后向台阶-楔体结构对含硼固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响

为增强含硼固体火箭超燃冲压发动机中空气与燃气掺混,提升火焰稳定性及燃烧效率,在一次燃气侧向进气基础上,补燃室前段增加后向台阶-楔体组合结构,采用数值模拟的方法分析一次燃气进气方式及楔体结构对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室内燃烧性能的影响。结果表明:当补燃室结构不变时,一次燃气进气位置到后向台阶的距离从0.5d变化到6d时,硼颗粒燃烧效率先增大后减小,在一次燃气进气位置距台阶为1.25d时,硼颗粒燃烧效率最大,为48%;当一次燃气进气角度在45o~170o内时,一次燃气进气角度越大,发动机燃烧效率越高,一次燃气进气角度为170o时总燃烧效率最大,为71.32%;在一次燃气进气方式不变时,取楔体高度与台阶高度之比分别为0.40、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、1.00,随着比值增大,总压恢复系数减小,硼颗粒燃烧效率先增大后减小,当楔体高度与台阶高度之比为0.60时,硼颗粒燃烧效率最大,为53.2%。