粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火燃烧特性研究

摘要

粉末燃料冲压发动机兼具了液体燃料冲压发动机和固体火箭冲压发动机的优势，理论性能优越。但由于粉末燃料冲压发动机燃料形式的特殊性和气固两相流燃烧影响因素的复杂性，粉末燃料冲压发动机内部燃烧机理尚不清楚，发动机燃烧组织较困难、燃烧效率也不高。因此为提高粉末燃料冲压发动机性能必须对颗粒群的着火燃烧特性展开深入细致的研究。
　　基于热力学爆燃理论建立了镁颗粒着火和镁颗粒群着火的分析模型，对镁颗粒和镁颗粒群的着火历程进行了分析，发现了单颗粒着火与颗粒群着火存在的明显差别；给出了不同条件下镁颗粒的着火判据表达式，并通过分析指出镁颗粒群不能给出具体的着火判据表达式；对不同条件下的着火判据进行了总结，分析了各着火判据的适用性和优缺点，最后提出了适合本文研究的着火判据。
　　着眼于粉末燃料冲压发动机的可靠点火技术，对镁颗粒群的着火机理进行了研究，分别建立了零维镁颗粒群着火模型和镁颗粒群着火的一维有限影响体模型。零维镁颗粒群着火模型基于集总参数的思想，详细考虑了单个颗粒的着火细节，及颗粒相与气相的相互耦合影响，获得了颗粒相、气相各参数随时间的变化过程。镁颗粒群着火的一维有限影响体模型基于颗粒对气相空间有限影响的思想，通过考察有限影响体的着火来分析颗粒群的着火，模型不仅对颗粒的着火细节进行了详细描述，还考虑了气相组分的扩散、凝相MgO的扩散和随气体流动、气体内部的导热等物理过程，获得了颗粒群着火的产生过程和气相温度、组分在有限影响体内的分布。基于两模型对处于黑体辐射之中的镁颗粒群的着火过程进行了研究，发现了其着火过程中颗粒相和气相温度的突跃现象，获得了镁颗粒群着火过程中颗粒相和气相参数的变化规律。数值研究了颗粒浓度、颗粒粒径、氧气浓度、辐射源温度、颗粒群初始温度、环境压力等参数对镁颗粒群着火的影响规律。模型计算结果与文献中试验结果相一致说明了模型的正确性。
　　以粉末燃料冲压发动机燃烧室内燃料颗粒不均匀分布现象为研究背景，对局部颗粒浓区域的着火燃烧进行了分析，建立了一维非稳态镁球形颗粒群的着火燃烧模型。模型不仅考虑了每个镁颗粒的着火燃烧细节和气体的热力学细节，还考虑了辐射在颗粒群内的沿程损失。数值模拟了镁颗粒群的着火燃烧过程，获得了镁球形颗粒群着火的发生和颗粒群火焰的变化过程及气相温度、组分在空间的分布情况，发现了颗粒群在着火燃烧过程中的“双火焰峰”现象，得到了火焰向内外的传播规律及镁颗粒群的燃烧特性。数值分析了颗粒浓度、颗粒粒径、氧气浓度、颗粒群初始温度、环境温度、辐射源温度、环境压力等参数对颗粒群着火燃烧的影响。模型计算结果与文献中试验结果相一致验证了模型的正确性。
　　着眼于粉末燃料冲压发动机的自持续稳定燃烧技术，开展了一维镁粉尘云层流燃烧的理论和试验研究。建立了镁粉尘云一维层流预混燃烧模型，模型不仅考虑了颗粒的着火燃烧细节和气相与颗粒相的相互耦合影响，对火焰与未燃粉尘云的辐射换热也做了详尽描述，并直接基于基本的气相和颗粒相控制方程对镁粉尘云火焰传播过程进行精确求解，是可以考虑不同端口点火的非稳态通用模型。设计并搭建了粉尘云层流火焰传播研究试验台，该试验台可对多种固体燃料粉尘云层流预混燃烧进行研究。通过数值模拟和试验对粉尘云的层流火焰传播过程进行了研究，发现了开口端点火和封闭端点火镁粉尘云层流火焰传播的规律和火焰精细结构。分析了颗粒浓度、颗粒粒径、氧气浓度、粉尘云初始温度、环境压力等参数对镁粉尘云火焰传播的影响，并对比分析了不同端口点火对粉尘云火焰传播的影响。试验结果与模型计算结果的良好吻合验证了模型的正确性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相关领域研究进展

1.3 本文主要工作

第2章 镁颗粒及镁颗粒群着火理论分析

2.1 引言

2.2 镁颗粒着火的热力爆燃理论分析

2.3 镁颗粒群着火的热力爆燃理论分析

2.4 镁颗粒群着火判据

2.5 小结

第3章 镁颗粒群着火模型及着火过程数值模拟

3.1 引言

3.2 零维镁颗粒群着火过程数值模拟

3.3 镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型

3.4 模型对比分析

3.5 小结

第4章 镁球形颗粒群着火燃烧模型及燃烧过程数值模拟

4.1 引言

4.2 模型的基本思想与假设

4.3 镁球形颗粒群着火燃烧模型

4.4 镁球形颗粒群的着火燃烧过程

4.5 计算结果及分析

4.6 小结

第5章 镁粉尘云一维层流燃烧模型与试验研究

5.1 引言

5.2 模型的基本思想与假设

5.3 镁粉尘云层流燃烧模型

5.4 试验系统与试验方法

5.5 粉尘云的层流燃烧过程

5.6 计算与试验结果及分析

5.7 小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要工作和结论

6.2 本文创新点

6.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 物质的热物性参数

A.1 物质的热容

A.2 物质的焓和热焓

A.3 镁/氧化学反应燃烧热