粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响

粉末燃料供应系统是实现粉末冲压发动机流量调节的最关键技术,供应系统的优劣直接影响发动机性能,也是需要解决的主要问题之一。本文运用欧拉连续介质方法对粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响进行研究,探究流量调节过程中等固气比调节对流化的影响,分析粉末在存储罐、流化区域、出口管路上的分布规律。通过分析等固气比调节的输出粉末质量流量变化规律、粉末分布、罐体气相压降判断粉末流化效果的优劣,进而完成粉末燃料典型流化装置流量调节对流化影响的研究。结果表明,随着输入粉末质量流量的增大,粉末供应到达稳定供应状态的时长逐渐减小;输入粉末平均质量流通量在12732.4~16976.5 kg/(m2·s)的设计工况,到达稳定供应状态需要的时间短,是较为理想的输入粉末质量流量的设计工况;粉末燃料供应系统为欠阻尼系统,供应系统开机后推力增加的过程中,阻尼振荡频率随着输出粉末质量流量的增大而增大;在到达稳定前,流化区域形成的旋流影响范围先增大再变小后保持稳定(或者消失),旋流具有稳定粉末供应的作用。

不同粒度级配的硼基粉末燃料装填特性和流动性

为了阐明粒度级配对粉末燃料装填特性和流动性的影响规律,提高粉末冲压发动机工作性能,以硼基粉末燃料为对象,研究了颗粒物性和级配方式等对粉末燃料装填特性和流动性的影响,并利用粉末供给系统验证了级配粉末的流化输运性能。结果表明,大粒径颗粒间隙中填充小粒径颗粒能够提升装填密度,但却会降低其流动性;多级级配粉末中的小粒径颗粒流动性较差时,预混装填方式的级配颗粒装填密度高于分批装填方式,反之则分批装填方式更好;团聚造粒制备的硼基粉末燃料粒度分布均有分形分布特征,分形级配的方式也可以提高颗粒装填密度,提升幅度约15.7%,分形级配后分形维数为2.33,装填密度为0.957g/cm^(3),装填率为53.8%,并保持较好的流化性能。

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。

Al基粉末燃料改性方法及点火燃烧特性

铝粉热值高且密度大,是粉末火箭发动机及冲压发动机的理想燃料。使用CO2激光点火结合燃烧光谱诊断方法,分析了不同粒度铝粉在不同压强下的点火燃烧特性,并研究了镁铝合金和使用HTPB将1μm铝粉团聚为大颗粒2种改性方法对铝粉燃烧特性的影响。结果表明,铝粉粒度减小和压强提高都能够提高点火燃烧性能;虽然铝镁合金和团聚铝粉在常压下的点火延迟大于1μm铝粉,但其成功点火后向均相反应的转换速度与燃烧强度都远大于1μm铝粉,且其自然松装密度也分别比1μm铝粉增大46%和47%。

粉末燃料冲压发动机理论性能分析

研究粉末燃料冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算软件,分别对以硼粉、铝粉、镁粉为燃料的发动机性能进行了计算,分析了不同参数对发动机比冲的影响趋势,为进一步研究及发动机设计奠定了基础。通过与常规液体燃料冲压发动机及固体火箭冲压发动机进行比较,说明了粉末燃料冲压发动机在比冲及体积比冲方面的优势。鉴于金属粉末燃烧产物中凝相物质含量高的特点,研究了两相流损失对发动机性能的影响。

硼基粉末燃料预处理及热氧化特性分析

基于理论分析的方法,确定了硼基粉末燃料预处理材料的选择和用量,然后开展了硼基粉末燃料预处理实验,并对预处理所获得的硼基粉末燃料表面形貌等进行了分析。在此基础上,利用热重分析试验台,对改性硼基粉末燃料在空气气氛中的热氧化特性进行系统研究,分析了不同改性硼基粉末燃料的热反应特性。研究表明,相比传统液体和固体冲压发动机,硼基粉末燃料冲压发动机具有比冲和密度比冲的优势,且能在较大的空燃比范围内维持较高的燃烧室温度,有利于发动机的稳定工作。硼基粉末燃料中镁的加入,可有效降低粉末燃料的点火温度,并提高硼的氧化程度。

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。

粉末燃料高效装填技术研究

分析了理想球形颗粒的堆积规律,发现粉体空隙率与粒径大小无关,仅与排列方式有关;多级配混合粒径装填会减小粉体的空隙率,且级数越多,粉体空隙率越小;颗粒在紧密堆积状态下排列方式不唯一,是多种密排形式的组合。研究了非理想颗粒的堆积规律,发现实际粉体颗粒间的干扰和干涉作用对颗粒装填率影响较大,颗粒形貌越不规则,粉体的装填率越小;颗粒越细小,则吸附力越大,粉体的装填率越小。基于以上分析,提出了理想的最紧密装填理论,确定了在多级配装填料中颗粒级数、粒径比以及各级颗粒的含量比例。最后,提出了一种简单有效的粉末燃料高效装填方法,通过实验验证,此方法可将粉末燃料的松装密度提高近10%。

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究。通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率。结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率。

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。

粉末燃料冲压发动机内镁粉尘云层流燃烧模型

对粉末燃料冲压发动机预燃室内镁粉尘云燃烧过程进行了研究,建立了镁粉尘云的一维层流预混燃烧模型.研究表明,镁粉尘云层流火焰传播很稳定,燃烧过程中火焰结构基本不变,燃烧区很薄,而预热区厚度约是燃烧区的2～3倍.粉尘云中镁颗粒的蒸发和气相镁与氧气的均相反应是产生火焰的直接原因,也是火焰得以传播的关键.预热区气相温度升高主要靠燃烧区气体的导热和扩散过来的气相镁与氧气反应释放热量,而预热区颗粒相温度升高主要靠气相对其对流传热.分析了各参数对粉尘云燃烧的影响,颗粒相对浓度对粉尘云燃烧的影响比较复杂,在浓度较低的情况下,增大颗粒相对浓度有利于粉尘云快速燃烧;而在浓度较高的情况下,增大颗粒相对浓度则不利于粉尘云快速燃烧.随颗粒粒径的增加,火焰传播速度减小,火焰温度升高,预热区厚度增大.火焰传播速度和火焰温度随粉尘云初温增加线性增长,预热区厚度随粉尘云初温增加抛物线增长.数值模拟与文献中试验结果的变化趋势相一致.

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。

不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

使用重结晶及挤出滚圆的方法,制备了硼基粉末燃料,初步分析了GAP含量对粉末燃料形貌的影响。结果表明,提高GAP含量,可显著降低颗粒之间的粘聚现象,改善颗粒形状规则程度,其含量达到30%时,颗粒粒径较大、形状规则,流化性能好。在此基础上,通过点火燃烧实验研究了HTPB和GAP作为粘结剂对燃料的点火燃烧过程的影响。结果表明,相同含量下,GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间明显低于HTPB团聚硼粉样本的点火延迟时间,10%GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间远低于10%HTPB团聚的硼粉。随着GAP含量由10%提升到30%,硼基粉末燃料的平均点火延迟时间由100.7 ms缩短至45.1 ms,当GAP含量达到30%时,GAP热解产生的大量燃气会促进样本内硼颗粒在空间的离散,使硼颗粒与氧气有着更好的接触,从而在更短的时间内燃尽。

气相氛围中悬浮粉末燃料爆震燃烧研究进展

针对在氧化性气相氛围以及在燃料/氧化剂混合气相氛围中粉末燃料爆震燃烧波的传播特性,总结了气相氛围中悬浮粉末燃料爆震燃烧的实验和数值模拟研究进展,归纳了影响爆震波速度、稳定性、传播模式、细观结构和胞格尺寸的主要因素。同时,还介绍了粉末燃料应用于爆震发动机或燃烧室的案例;结合粉末爆震自身特点对实验装置和燃烧诊断测试手段和数值模拟方法进行总结分析;最后针对下一步需要开展的研究工作进行展望。

以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器方案初步研究

为设计以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器,研究了飞行器巡航马赫数对进气道动能效率、压比和总压恢复系数的影响,设计的巡航飞行器在火星5 km高度以5 Ma的速度巡航,冲压发动机进气道动能效率为0.88,压比为100,总压恢复系数为0.163;对以硼粉、铝粉和镁粉为燃料的冲压发动机进行了理论性能计算,选择镁粉作为冲压发动机的燃料,发动机的氧燃比约为10;研究了飞行器初始质量、升阻比和燃料质量比对巡航航程的影响,当升阻比为1的飞行器质量大于500 kg、燃料的质量分数大于0.5时,飞行器的巡航航程超过1000 km。

高超声速进气道内粉末燃料喷注及流动控制特性研究

为了提高进气道性能以及金属粉末燃料的掺混效率,本文将粉末燃料的喷注提前到高超声速进气道内完成。以铝粉作为喷注燃料,氮气作为流化气,基于连续相-离散相(CFD-DPM)耦合模型,采用数值模拟的方法重点研究了在进气道内喷注粉末燃料对进气道性能和颗粒掺混度的影响。结果表明:在超额定状态下通过在外压段喷注粉末燃料进行波系控制,可以用比气体射流控制更低的喷注压力实现激波贴口的效果,在来流马赫数Ma _(0)=6时,与气体射流控制相比,两个喷嘴的入口总压分别降低了17.9%和31.8%。与常规定几何进气道相比,经过粉末燃料喷注后进气道的综合性能有了显著的提高,低马赫数下流量系数提高24%以上,总压恢复系数也明显提高,并且实现了粉末燃料与氧气的充分掺混。

粉末燃料的沉降速度和最小流化速度分析

粉末燃料输送技术是粉末发动机的核心关键技术之一,目前所用的气动活塞式粉末输送方案还处于概念设计阶段。采用多个经验公式对某密度为2.5g/cm3、粒度为20~300μm的粉末燃料颗粒沉降速度和最小流化速度进行了计算分析,得到流化气温度、压强、颗粒粒度等对最小流化速度的影响规律。分析表明,最小流化速度比沉降速度小得多,按照沉降速度设计流化气速度自然能够满足最小流化速度的要求;高温高压下的粉末沉降速度较常温常压下的小,因此按照粒度较大的颗粒在常温常压下的沉降速度设计流化气速度,就能够同时保证所有颗粒在所有工况下的气力输送,该速度为2.5m/s。

废塑料粉末燃料化装置

废塑料粉末燃料化装置日本的工业和一般废弃物中，废塑料年拥有量超过６００万吨。其中，１２％通过再生制成各种产品（物料回收），１６％经燃烧回收热能（热能回收）。其余的只是简单焚烧或者深埋，即没有回收利用的达７２％。所以，废塑料的再资源化和环境保护技术的开...