水冲压发动机用镁基水反应金属燃料一次燃烧性能研究

论文摘要

作为新型吸水式喷气推进系统的水冲压发动机,采用高能水反应金属燃料作为燃料,利用海水作为氧化剂,具有很高的比冲和推力,是未来超高速水中兵器的最佳动力装置。镁基水反应金属燃料是水冲压发动机的核心技术之一。镁基水反应金属燃料的能量在水冲压发动机的两次燃烧过程中释放出来,其一次燃烧性能对于二次燃烧过程中镁与水蒸汽之间的能量释放效率和水冲压发动机的综合性能都有重要影响。镁基水反应金属燃料的高能量特性取决于配方中的高金属含量,但高金属含量限制了一次燃烧速度和一次喷射效率的提高,因此开展高金属含量镁基水反应金属燃料一次燃烧性能及其调节方法的研究具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,系统测试了镁基水反应金属燃料的凝聚相热分解性能、静态燃烧性能及动态燃烧性能,分析了镁颗粒等配方参数对镁基水反应金属燃料凝聚相热分解性能、一次燃烧特性及燃烧波结构的影响规律,合理推断了镁基水反应金属燃料的热分解机理和一次燃烧机理,建立了可实现数值计算的镁基水反应金属燃料一次燃烧模型,数值研究了镁基水反应金属燃料一次燃烧速度主要影响因素的作用规律,为镁基水反应金属燃料的性能调节及水冲压发动机的应用提供理论依据和试验基础。研制的镁基水反应金属燃料在发动机试验中能够稳定燃烧;在2.0MPa下,镁含量为50%65%的镁基水反应金属燃料一次燃烧速度在1.35mm·s-17.92mm·s-1范围内可调;在0.5MPa2.0MPa压强范围内,实测燃速压强指数在0.150.30范围内变化,一次喷射效率均大于88.3%,最大喷射效率达95.2%。0.5MPa下,静态燃面温度在517591℃范围内变化,平衡火焰温度在11821443℃范围内变化。镁基水反应金属燃料的一次燃烧过程经历了凝聚相升温、凝聚相反应、气相反应三个阶段。凝聚相升温区仅吸热升温,不发生化学反应。凝聚相反应区主要发生增塑剂分解、AP热分解、HTPB热分解等反应;镁粉不反应,仅吸热升温,最终生成N2、CO、CH4、CO2、C2H2和HCl等主要气态产物和部分凝聚相含碳残渣及镁颗粒。在气相火焰区内,镁粉经历吸热的熔化和气化等相变过程,其中部分镁粉脱离燃面后点火燃烧释放热量;由于AP含量低,镁的氧化反应与碳的氧化反应之间存在竞争,仅有部分镁和部分碳被氧化,最终生成CO、CH4、N2、CO2、C2H2、H2、MgCl2和Mg蒸汽等主要气相产物及含碳残渣、氧化镁、氯化物等凝聚相产物。镁基水反应金属燃料的一次燃烧速度受凝聚相反应特性的影响,主要受AP热分解速度的控制。随着燃面温度或凝聚相反应区平均温度梯度的升高,燃料中AP的热分解速度和燃料的一次燃烧速度均增大。提高镁基水反应金属燃料一次燃烧速度的技术途径有:增加Fe类催化剂含量、增大氧粘比、减小氧化剂粒度、增加细镁粉相对含量或减小镁粉总含量等。燃速压强指数主要受氧粘比或细镁粉相对含量的影响。镁基水反应金属燃料的一次喷射效率受燃烧产物组成、燃烧温度、燃烧室压强及燃速等因素的综合影响。随着主要气态产物总摩尔数的增大、平衡火焰温度的提高、燃烧室压强或燃速的增大,燃料的一次喷射效率提高。提高镁基水反应金属燃料一次喷射效率的方法有:减少镁粉含量、增大氧粘比、增加Fe类催化剂含量或减小AP粒度等。由于镁含量高,AP含量低,镁基水反应金属燃料一次燃烧不充分,火焰区放热量少,平衡火焰温度和燃面温度较低;由于AP含量低,由AP颗粒形成的燃烧单元数减少,每个燃烧单元周围缔合的粘合剂和镁粉的量增多,AP颗粒上方明亮的火焰与粘合剂和镁粉上方的暗区共同构成了明暗不均的气相火焰;由于镁含量高,镁粉在气相火焰中熔化和气化等相变过程大量吸热,使火焰温度在镁的熔点和沸点附近产生波动。在深入研究镁基水反应金属燃料一次燃烧特性及燃烧机理的基础上,借鉴BDP模型的基本原理和铝镁富燃料推进剂燃烧模型的研究成果,建立了以BDP模型为基础的镁基水反应金属燃料稳态燃烧模型。依据燃料一次燃烧过程中燃面的能量守恒方程和质量守恒方程,建立了模拟镁基水反应金属燃料一次稳态燃烧过程的数学模型。该模型考虑了镁颗粒对燃面结构和气相火焰热传导系数的影响,考虑了碳的氧化反应与镁的氧化反应之间的竞争,充分考虑了镁颗粒的熔化吸热、部分镁气化吸热及燃烧放热对气相火焰区放热及对燃面热反馈的影响。对镁基水反应金属燃料一次燃烧性能的数值分析结果表明,该模型计算精度较高,能够反映不同类型镁基水反应金属燃料的一次燃烧特性,可用于镁基水反应金属燃料一次燃烧性能的数值研究及理论分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究工作的背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 水冲压发动机技术
• 1.1.3 水反应金属燃料技术
• 1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 “超空泡”武器研究进展
• 1.2.2 水冲压发动机技术研究进展
• 1.2.3 水反应金属燃料研究进展
• 1.2.4 富燃料推进剂的一次燃烧性能研究进展
• 1.2.5 金属颗粒燃烧性能的研究进展
• 1.2.6 固体火箭推进剂燃烧模型的研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 镁基水反应金属燃料的凝聚相反应特性
• 2.1 引言
• 2.2 热分析实验条件及数据处理方法
• 2.2.1 实验样品
• 2.2.2 实验仪器及条件
• 2.2.3 动力学参数计算方法
• 2.3 镁基水反应金属燃料单组分的热分解性能
• 2.3.1 氧化剂（AP）的热分解性能
• 2.3.1.1 粒度对氧化剂（AP）热分解性能的影响
• 2.3.1.2 氧化剂（AP）热分解反应动力学参数
• 2.3.2 HTPB 粘合剂的热分解性能
• 2.3.2.1 升温速率对HTPB 粘合剂热分解性能的影响
• 2.3.2.2 HTPB 粘合剂热分解反应动力学参数
• 2.3.3 镁粉（Mg）的热氧化特性
• 2.3.3.1 不同粒度镁粉的热氧化特性
• 2.3.3.2 镁粉在惰性气氛下热反应特性
• 2.3.4 增塑剂（D）的热分解性能
• 2.4 镁基水反应金属燃料混合组分的热分解性能
• 2.4.1 HTPB 与Mg 混合物的热分解特性
• 2.4.2 Mg 与AP 混合物的热分解特性
• 2.4.3 HTPB 与AP 混合物的热分解特性
• 2.5 镁基水反应金属燃料的热分解性能
• 2.5.1 镁基水反应金属燃料热分解反应的基本特征
• 2.5.2 氧粘比对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.3 氧化剂粒度对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.4 催化剂种类对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.5 Fe 类催化剂含量对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.6 Cu 类催化剂含量对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.7 镁粉粒度级配对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.8 镁粉含量对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.5.9 环境压强对镁基水反应金属燃料热分解性能的影响
• 2.6 镁基水反应金属燃料的热分解反应机理
• 2.6.1 镁基水反应金属燃料凝聚相热分解产物SEM 分析
• 2.6.2 镁基水反应金属燃料凝聚相热分解产物FTIR 分析
• 2.6.3 镁基水反应金属燃料气相热分解产物GC 分析
• 2.6.4 镁基水反应金属燃料的热分解历程分析
• 2.7 镁基水反应金属燃料的热分解性能小结
• 第三章 镁基水反应金属燃料的静态燃烧性能
• 3.1 引言
• 3.2 试验系统及数据处理方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验及数据处理方法
• 3.2.2.1 静态燃速数据处理
• 3.2.2.2 静态燃烧温度测量方法及数据处理
• 3.2.2.3 静态燃烧过程热力学计算方法
• 3.3 燃料配方对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.1 氧粘比对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.1.1 不同氧粘比镁基水反应金属燃料的静态燃烧性能
• 3.3.1.2 不同氧粘比镁基水反应金属燃料一次燃烧的热力学特性
• 3.3.2 镁粉粒度级配对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.3 氧化剂粒度对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.4 催化剂种类对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.5 催化剂含量对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.6 镁粉含量对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.3.6.1 不同镁粉含量镁基水反应金属燃料的静态燃烧性能
• 3.3.6.2 不同镁粉含量镁基水反应金属燃料一次燃烧的热力学特性
• 3.4 燃烧室压强对镁基水反应金属燃料静态燃烧性能的影响
• 3.5 镁基水反应金属燃料静态燃速与燃烧温度相关性分析
• 3.6 镁基水反应金属燃料的燃烧性能与热分解性能相关性分析
• 3.7 镁基水反应金属燃料的静态燃烧性能小结
• 第四章 镁基水反应金属燃料的动态燃烧性能
• 4.1 引言
• 4.2 试验系统及研究方法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 燃料药柱尺寸及点火方式
• 4.2.3 数据处理方法
• 4.3 燃料配方对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.1 氧粘比对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.2 镁粉粒度级配对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.3 氧化剂粒度对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.4 催化剂种类对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.5 催化剂含量对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.3.6 镁粉含量对镁基水反应金属燃料动态燃烧性能的影响
• 4.4 镁基水反应金属燃料一次喷射效率的影响因素分析
• 4.4.1 镁基水反应金属燃料一次喷射效率与压强的相关性
• 4.4.2 镁基水反应金属燃料一次喷射效率与动态燃速的相关性
• 4.5 镁基水反应金属燃料动态燃烧性能与静态燃烧性能的相关性
• 4.5.1 镁基水反应金属燃料动态燃速与静态燃速的相关性
• 4.5.2 镁基水反应金属燃料动态燃速与静态燃烧温度的相关性
• 4.5.3 镁基水反应金属燃料一次喷射效率与静态燃烧温度的相关性
• 4.6 镁基水反应金属燃料的动态燃烧性能小结
• 第五章 镁基水反应金属燃料的一次燃烧机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.2.1 燃烧波结构测试方法
• 5.2.2 燃烧产物仪器分析方法
• 5.2.3 燃烧产物化学分析方法
• 5.2.3.1 化学滴定方法分析镁元素含量
• 5.2.3.2 气体容量法测定活性镁含量
• 5.2.3.3 燃烧法测定碳含量
• 5.2.3.4 化学滴定法测定氯含量
• 5.3 镁基水反应金属燃料一次燃烧过程的热力学分析
• 5.3.1 碳、氢、镁元素的氧化反应平衡常数
• 5.3.2 镁基水反应金属燃料一次燃烧平衡产物的数值分析
• 5.3.3 氧粘比对镁基水反应金属燃料一次燃烧热力学特性的影响
• 5.3.4 镁含量对镁基水反应金属燃料一次燃烧热力学特性的影响
• 5.4 镁基水反应金属燃料的燃烧波特性
• 5.4.1 镁基水反应金属燃料的燃烧波温度特性
• 5.4.2 燃烧室压强对镁基水反应金属燃料燃烧波温度的影响
• 5.4.3 镁基水反应金属燃料的一次燃烧火焰结构
• 5.5 镁基水反应金属燃料一次燃烧的凝聚相产物分析
• 5.5.1 镁基水反应金属燃料一次燃烧凝聚相产物的形貌分析
• 5.5.2 镁基水反应金属燃料一次燃烧凝聚相产物的元素分析
• 5.5.3 镁基水反应金属燃料一次燃烧凝聚相产物的成分分析
• 5.6 镁基水反应金属燃料一次燃烧气相产物分析
• 5.7 镁基水反应金属燃料一次燃烧过程及机理分析
• 第六章 镁基水反应金属燃料的一次燃烧模型及一次燃烧性能的数值分析
• 6.1 引言
• 6.2 镁基水反应金属燃料一次燃烧过程的物理模型
• 6.3 镁基水反应金属燃料一次燃烧过程的数学模型
• 6.3.1 镁基水反应金属燃料一次燃烧的质量燃速表达式
• 6.3.2 镁基水反应金属燃料假想推进剂的燃面几何学
• 6.3.3 镁基水反应金属燃料一次燃烧燃面的能量守恒方程
• 6.3.4 镁基水反应金属燃料一次燃烧三个火焰的反应热
• 6.3.5 镁基水反应金属燃料一次燃烧无因次火焰距离
• 6.3.6 AP 氧化性分解产物进入初始火焰分数的计算求解
• 6.3.7 镁颗粒燃烧的热效应
• 6.3.7.1 镁颗粒的运动方程
• 6.3.7.2 镁颗粒的熔化吸热
• 6.3.7.3 镁颗粒的蒸发吸热
• 6.3.7.4 镁颗粒氧化反应放热
• 6.4 镁基水反应金属燃料一次燃烧模型的验证
• 6.4.1 50 型镁基水反应金属燃料的一次燃速特性
• 6.4.2 不同镁含量镁基水反应金属燃料的一次燃速特性
• 6.5 镁基水反应金属燃料一次燃烧速度计算研究
• 6.5.1 氧化剂粒度对镁基水反应金属燃料一次燃烧速度的影响
• 6.5.2 镁粉粒度对镁基水反应金属燃料一次燃烧速度的影响
• 6.5.3 镁粉含量对镁基水反应金属燃料一次燃烧速度的影响
• 6.6 镁基水反应金属燃料一次燃烧模型及一次燃烧性能数值分析小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 对未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果