硼颗粒聚团着火过程研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252012V01．33No．122153．2160ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaaedu．cn文章编号：1000—6893(2012)12—2153—08硼颗粒聚团着火过程研究方传波1，夏智勋1’*，胡建新2，王德全1，游进11．国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南长沙4011732．国防科学技术大学航天与材料工程学

2、院，湖南长沙401173摘要：针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒聚团的着火过程开展了系统研究，考虑硼颗粒聚团内部气相扩散及颗粒聚团与周围环境的传热传质过程，建立了一维硼颗粒聚团着火模型，详细分析了环境总压、环境气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。结果表明：硼颗粒聚团能够在比单颗粒硼着火温度更低的环境温度下实现着火，且着火温度随聚团半径、氧气摩尔分数的增加而降低，随环境总压、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径的增加而增大；硼颗粒聚团着

3、火延迟时间随环境气体温度、氧气摩尔分数和颗粒聚团孑L隙率的增加而减小，随硼颗粒粒径的增加而增大。在较高的环境总压下，硼颗粒聚团的着火延迟时间随环境总压增加而增大。关键词：固体火箭冲压发动机；硼颗粒；着火模型；着火温度；着火延迟时间中图分类号：V431文献标识码：A硼以其高的质量热值和体积热值成为富燃料推进剂的首选。为改进硼的力学性能和工艺，含硼富燃料推进剂中常采用团聚硼，在燃气发生器和补燃室中，团聚硼中的粘合剂首先分解，部分团聚硼依然保持聚团外形，其内部硼颗粒之间存在空隙，气体仍可以流通口]。文献

4、[2]的研究也表明，小粒度的硼颗粒在进入补燃室前会经历结团过程，形成团聚体，其内部的硼颗粒之间也存在空隙，它们以聚团形式进入补燃室。另外，在高金属含量粉末冲压发动机[3]和固体火箭冲压发动机[4]工作过程中，硼颗粒在气流湍流和颗粒间相互作用下也可能形成局部高颗粒相密流区，甚至聚集成团参与多相掺混反应。同时，该聚团又随时可能在气动力、颗粒碰撞力等作用下与其他颗粒聚集或破碎成更多小颗粒聚团哺]。硼颗粒聚团的存在改变了多相之问的动力关系，影响了多相之间以及颗粒自身的传热传质和化学反应过程，不同于分散单颗

5、粒硼的着火燃烧过程，因此，有必要开展硼颗粒聚团的着火特性研究。Karadimitris等[6]的研究表明，硼颗粒离开推进剂表面进入燃烧室时趋于聚合结团形式，且燃烧时间比单颗粒硼明显加长。Gurevich等[7]在开展硼颗粒燃烧试验研究时发现，单颗粒硼很容易聚合成更大的硼颗粒团，且硼颗粒聚团的着火温度随聚团半径的增加而降低。Zolotko等[8。9]基于热爆炸理论的稳态分析法得到了硼颗粒聚团的着火湿度随聚团半径的变化规律。国内对硼颗粒及其衍生物的着火过程研究基本仍以借鉴国外成果为主。而Zolotko

6、等国外研究人员大都基于稳态法，尚未对硼颗粒聚团的整个着火过程进行收稿日期：2011．12—20；退修日期：2012—02—10；录用日期：2012—03—13；网络出版时间：2012—03-2216：44网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V20120322．1644006htmI基金项目：国家自然科学基金(51276194)*通讯作者Tel．：073I-84576450E—mail：xiazhixun@sina．com}

7、用撂武：FangcB，XiaZX

8、，HuJX．etal．StudyofignitionprocessofboronparticleagglomerationActaAeronauticaetAstronauticaSin—ica，2012．33(12)：2153，2t60方传渡．夏智动．葫建耪。等硼颗粒聚疆着火过程研究．航空学报，2012。33(12)：2153-2160．航空学报Dec．252012V01．33No．12系统分析，也未对环境总压、氧化性气体浓度、着火延迟时间等参数对硼颗粒聚团着火过程的影响展开研究，这些参数都直接

9、影响冲压发动机内硼的能量释放方式和效率。在上述背景下，以硼颗粒聚团为研究对象，考虑硼颗粒聚团内部气相扩散及颗粒聚团与周围环境的传热过程，建立了一维球形硼颗粒聚团着火模型，详细分析了环境气体温度、氧气摩尔分数、环境总压和聚团孔隙率等参数对硼颗粒聚团着火的影响。1物理数学模型硼颗粒聚团着火过程物理模型如图1所示，现考虑氧气和氮气混合物中半径为R。的球形硼颗粒聚团，其中均匀分布着初始直径、初始温度相等的硼颗粒，且硼颗粒本身也为球形。就整个颗粒聚团而言，气相反应物和生成物可通过硼颗粒间隙所