涡旋掺混对硼颗粒点火燃烧影响的数值仿真研究

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1、学校代码：10406中图分类号：V512学号：130085233005南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）涡旋掺混对硼颗粒点火燃烧影响的数值仿真研究作者：胡旭指导教师：徐义华副教授申请学位级别：硕士学科、专业：航天工程申请学位日期：2015年11月授予学位单位：南昌航空大学TheNanchangHangkongUniversitySchoolofAircraftEngineeringStudyonNumericalSimulationforIgnitionandCombustionofBoronParticlesUndertheSwirlFlowByHuXuU

2、ndertheSupervisionofXuYihuaAThesisSubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheDegreeofMasterofAstronauticalEngineeringNovember2015摘要硼具有高质量热值和体积热值，是固体火箭冲压发动机(以下简称固冲发动机)的理想燃料添加剂。由于硼颗粒在固冲发动机补燃室内的停留时间很短，且颗粒表面有氧化层的覆盖，抑制颗粒燃烧，因此引入旋流进气技术，提高颗粒在补燃室内停留时间以及掺混效果，从而达到提高燃烧效率的目的。以773K环境温度中晶体

3、硼颗粒氧化层的微观特征为依据，在现有的点火模型基础上，根据氧化层最外侧物质属性以及火焰面反应放热，建立了新的点火模型。在燃烧过程中，以颗粒升华温度(2820K)为界限，当颗粒温度小于2820K时，采用颗粒表面反应模型，并以粒径和温度为界限，建立了颗粒的单步反应与多步反应燃烧模型；当颗粒温度大于2820K时，采用表面反应液滴燃烧的组合模型，并引入沸腾指数，限制颗粒在燃烧过程中超过沸点温度。利用折算薄膜理论，考虑了强旋下强迫对流对颗粒燃烧的影响。该模型在硼颗粒点火燃烧过程中充分考虑了颗粒所能出现的各种情况，提高了模型的完整性，模型数值计算结果与实验数据基本吻合。采用

4、kRealizable湍流模型，单步涡团耗散燃烧模型以及考虑了高速气流作用下新建立的硼粒子点火燃烧模型，开展了不同旋流进气强度下固冲发动机补燃室内含硼颗粒两相燃烧流动数值模拟。分析了在四种不同的旋流进气角度，以及不同的压强、粒径和温度对硼颗粒点火燃烧以及燃气燃烧效率的影响。本文得出如下结论：1.有旋的总燃烧效率高于无旋，颗粒点火距离随旋流数的增加而减短。2.同旋条件下，气相燃烧效率随着旋流数的增大先减后增，硼颗粒的燃烧效率先增后减，总燃烧效率在旋流叶片角为30°至45°范围内存在一个最大值。随着旋流强度增加，颗粒扩散性随之增强。3.在反旋条件下，气相与凝相的

5、燃烧效率均呈现先增后降的趋势，其总燃烧效率最大值出现在旋流叶片角为15°左右的条件下，但其值小于同旋时所能达到的最大总燃烧效率。与同旋相比，在反旋条件下，部分颗粒会受气流对冲影响，减弱了颗粒向外扩散的能力。4.在旋流作用下，随着硼颗粒直径的增加，气相燃烧效率增大，凝相燃烧效率先增后减，颗粒点火距离逐渐增加。总燃烧效率最大值出现在颗粒直径为8μm左右的条件下。5.随着温度的上升，颗粒燃烧效率显著增大，扩散性能也有所增强，而气相燃烧效率略微有所减小。在不同进气温度的条件下，颗粒点火距离基本不变。6.随着压强的增加，颗粒燃烧效率明显上升，在补燃室头部扩散能力逐渐减I弱

6、，气相燃烧效率先减后增。关键词：固冲发动机，硼，点火，燃烧，两相燃烧，旋流进气，数值模拟IIAbstractBoron,withitsgreatadvantagesintermsofgravimetriccalorificvalueandvolumetriccalorificvalue,isanidealmetaladditiveforSolidDuctedRocket.Ithascausedawiderangeofresearchabouttheignitionandcombustionprocessofboronparticle.Duetothefactth

7、attheparticlestayforashorttimeinthesecondarycombustorofSolidDuctedRocketandiscoveredbyoxidefilm,whichinhibitthecombustionoftheparticles.Theswirlflowtechnologyisintroducedtoimprovetheresidenceandthemixingeffectoftheparticles.Thenewignitionmodelofboronparticleisestablishedbythemicrocha

8、racteristico