高金属含量金属燃料燃烧的数值模拟

发布时间：2020-06-13 12:04

【摘要】：金属燃料与其他种类的复合推进剂相比有更高的热值,更大的密度,且燃烧产物颗粒对发动机的不稳定燃烧有抑制作用,其热值随着燃料中金属含量的增加而显著提高。开展高金属含量金属燃料在空气及水蒸气环境中的燃烧过程研究、探索金属燃料在不同使用环境下的配方优化方案,对提高金属燃料燃烧效率、实现金属燃料发动机持续稳定燃烧具有重要理论价值和实际意义。本文采用理论分析、实验验证和数值模拟相结合的方法,依据金属燃料燃烧时相关化学反应方程,对高金属含量金属燃料的燃烧过程进行了研究。采用热成像仪观测空气环境中金属燃料药柱的燃烧结果,对比相应配方药柱的数值模拟结果,发现实验结果与数值模拟结果吻合较好,由此确定数值计算模型。采用热力学计算软件确定了计算初始参数。开展了不同配方金属燃料在空气环境中稳态燃烧数值模拟。模拟结果表明,随着金属粒径的增加,铝基和镁基燃料中金属的反应程度下降,其中铝基燃料下降速度大于镁基燃料。根据模拟结果,考虑经济性及燃烧效率,空气环境中,铝基燃料铝粒径选择30μm以内,镁基燃料粒径50μm以内。随着金属含量的增加,金属反应程度下降,常压下,空气作为金属燃料的氧化剂时,铝基燃料金属含量不应超过70%,镁基燃料金属含量不应超过75%,金属含量超过该值时需要增大空气中氧化剂浓度。同一金属燃料中加入镁、铝两种金属时,铝与镁含量的比为3:7可达到较好的燃烧效果。开展了不同配方金属燃料在水蒸气环境中稳态燃烧数值模拟。模拟结果表明,水蒸气环境中粒径相同时,镁颗粒反应程度比铝颗粒大的多。随着粒径的增大,颗粒相反应程度都呈现下降的趋势,铝基金属燃料选择粒径不大于30μm,镁基燃料选择粒径不大于50μm。金属含量改变时,在金属含量达到80%以前,金属颗粒的反应程度随金属含量增加变化的不明显,当金属含量超过80%时,铝基和镁基燃料中颗粒相反应程度都下降,且铝基燃料颗粒相反应程度下降更快。同一金属燃料中加入镁、铝两种金属时,改变金属配比,对金属颗粒的反应程度影响有限,考虑铝热值较大,水蒸气环境中使用铝、镁混合燃料时可提高铝的比例。
【图文】：

得到铝颗粒燃烧时间与颗粒直径、H220.90.67bkDτα=的燃烧时间，s；的直径， μ m； H2O 浓度的相对值。同配方，kα 介于 0.3~0.7 之间。之后的试验研究表一定差距，Pokhil[8]、Law[9]、King[10]、Kuo[11]、Broo1.2 ~ 2.0 之间。建立了具有完整意义的铝颗粒扩散蒸气相燃烧模型与铝蒸气进行氧化反应形成火焰燃烧区，，氧化产物

下化学平衡产物成分等。采用最小吉布斯自由能法，根据计算问题的不同调用不同的模块，其结构如图 2.1图2.1 热力学计算结构图一般输入模块包括四个子程序和一个入口；数据预处理模块分别预处理热力学数据和热传输属性数据；应用程序模块分四个问题类型调用不同的六个子程序；额外输入处理模块以实现：调整分配燃料-氧化剂不同比值的初始变量，获得当前状态组份组成和温
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ517;TQ038

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本文编号：2711151