强迫对流下硼颗粒燃烧特性影响因素研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaFeb．252015VoI．36No．2492．500ISSN1000一6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《宙buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000一6893．2014．0115强迫对流下硼颗粒燃烧特性影响因素研究方传波，夏智勋*，胡建新，王德全国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙410073摘要：针对冲压发动机燃烧室内强迫对流下的硼颗粒燃烧特性展开了系统研究，考虑气相流动、扩散和表面单步有限化学反应动力作用，建立了强迫对流下硼颗

2、粒燃烧过程的物理和数学模型；采用有限体积法求解含多组分反应流的二维轴对称Navier-stokes方程，并验证了数值仿真方法的正确性。首先通过数值仿真研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力等因素对硼颗粒燃烧特性的影响，并对其成因展开了详细分析。研究表明，在强迫对流作用下，硼颗粒总的燃烧质量流率和质量流率通量均随来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力的增加而增大。通过深入分析发现，强迫对流下硼颗粒的燃烧质量流率通量随着来流雷诺数的增加而增大。然后基于大量数值仿真结果，对相对静止气氛下的硼颗粒质量流率通量进行了修正，用于描述强迫对流下的硼颗粒燃烧特性。关键词：强迫对流

3、；硼颗粒；燃烧特性；数值仿真；影响因素中图分类号：V431文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)02一0492一09高能富燃料推进剂附加填料主要有硼、铝、镁等，硼以其高质量热值和体积热值，已被公认为高能富燃料推进剂附加填料的首选，在固体火箭冲压发动机、固体燃料冲压发动机等导弹和航天推进系统中有着广泛的应用前景[1]。目前，国内外学者也基于大量试验研究获得了部分相对静止气氛下的硼颗粒燃烧特性，建立了硼颗粒的扩散燃烧模型[21和化学动力学燃烧模型L3]，模型也逐渐涵盖了O：、H：O、F、Cl。、HF等多种氧化性气体竞相反应动力学因素的影响[4。7]。但是，受富燃燃气喷射方式和冲

4、压空气进气方式的影响，在实际的冲压发动机补燃室内部，多相颗粒掺混燃烧过程的强度很大，湍流脉动等因素也不可忽略，造成硼颗粒与周围气相间存在较大的相对速度，硼颗粒往往处于强迫对流环境下，硼颗粒燃烧流场不再是球对称，必须按轴对称问题处理，而在现有的燃烧模型中，硼的燃烧速率均为恒定值，不随气固／液两相速度差的变化而改变，这明显不符合冲压发动机内的实际工作环境，正如Zhou所言[7]，仍需要进一步开展对流环境下的硼颗粒燃烧特性研究。国内针对硼颗粒燃烧过程的研究基本仍以借鉴和修正国外成果为主[8。10

5、，其中，Hu等[1们参考强迫对流下的碳颗粒燃烧理论，初步建立了强迫对流环境中的硼颗粒燃烧模型，但该燃

6、烧模型基于薄火焰面假设，所得模型仅适用于全包火焰的扩散燃烧情况，且颗粒尾部出现分离流时，该模型不再适用。在上述背景下，以强迫对流下的硼颗粒燃烧特性为研究对象，建立了二维轴对称的硼颗粒燃烧模型，详细研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力等因素对硼颗粒燃烧过程的影响，然后对其成因展开了详细分析。收稿日期：2014-03—06；退修日期：2014．04—15；录用日期：2014．06．08：网络出版时间：2014．06．1810：56F目络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000．6893．2014．0115htmI基金项目：国家自然

7、科学基金(51276194)*通讯作者．Tel．：0731-84576450E．maII：zxxia@nudt．educn鳓角榕武

8、Fangc8．xiazx。HuJX．eta

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12、e{nforcedc∞vectIvenow!J]．ActaAeronauticaetAs打onaullcas拍ca·2015．36(2)：492·500．方传波。夏智勘．胡建新，等i强迫对流下硼颗粒燃烧特性影响因素研究[J]．航空学报．2015．36(2)：492．500．方传波等：强迫对流下硼颗粒燃烧

13、特性影响因素研究1物理和数学模型由于硼的沸点很高，其燃烧产物沸点又相对较低，因此，硼颗粒以表面燃烧为主。为简化起见，如图1所示，现考虑环境中仅含氧气一种氧化性气体、氮气为惰性气体的情况。硼颗粒与氧气的整个反应过程主要包括以下几个步骤：①氧气通过对流和扩散作用由气流主体传递至硼颗粒的外表面；②氧气吸附在硼颗粒的表面上；③在硼颗粒的表面上，氧气与硼发生氧化反应；④生成的气相产物在颗粒表面上脱附；⑤气相生成物由颗粒外表面向气流