铝颗粒粉尘对冲火焰数值模拟研究

铝颗粒由于具有能量密度高、易储存、燃烧过程不产生温室气体等优势,有望成为未来化石燃料替代的解决方案.本文建立了铝颗粒粉尘火焰的燃烧模型,其中考虑了相间传热、相变、表面化学反应、气相详细化学反应及辐射传热等过程,并针对铝颗粒粉尘对冲火焰开展了数值模拟研究.首先,通过仿真McGill大学的铝颗粒粉尘对冲火焰实验进行模型验证,并分析了实验中使用铝颗粒本身作为示踪粒子引起的气相速度测量误差,结果表明,数值模拟得到的离散相速度分布与实验结果基本一致,火焰传播速度的预测值也同实验数据吻合较好.当颗粒粒径小于10μm时,连续介质假设不再成立,相间传热模型必须考虑过度区机制,随着颗粒粒径的增加,火焰传播速度不断降低.随着对冲火焰拉伸率的增加,颗粒在火焰区的停留时间减少,并出现燃烧不完全的现象,粉尘火焰由双峰变为单峰结构.火焰传播速度随着拉伸率的增加而增大,通过线性外推可得到未拉伸的火焰传播速率约为29 cm/s.辐射引起的热损失会导致气相温度大幅降低,但辐射传热对颗粒的加热作用相对较小.     

考虑Stefan影响的单颗粒硼着火过程研究

针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内单颗粒硼的着火过程展开了系统研究. 考虑硼颗粒周围气相流动以及硼颗粒与周围环境间的传热传质过程, 建立了考虑Stefan流作用的一维硼颗粒着火模型, 研究了硼颗粒实现着火和未能实现着火两种典型情形下硼颗粒及周围气相的参数变化规律, 对两种情形下Stefan流的变化规律及其成因展开了详细分析. 研究表明, 在硼颗粒实现着火的过程中, 液态B₂O₃的蒸发及硼的 氧化均能在硼颗粒的反应自加热作用下急剧加速, 硼颗粒表面附近的氧气和气相B₂O₃分布变化剧烈; 在未能实现着火的过程中, 液态B₂O₃的蒸发和氧气消耗的质量流率相对较小, 并逐渐趋于稳定, 硼颗粒表面附近的氧气和气相B₂O₃分布相对变化很小.在两种典型情形下, 硼颗粒外表面的Stefan流都会经历先由周围空间流向颗粒表面, 而后变为由颗粒表面流向周围空间的过程. 关键词： 固体火箭冲压发动机 硼颗粒 着火过程 Stefan流