林长津, 王 浩, 朱晨光, 张 涪

(1. 南京理工大学能源与动力学院, 江苏 南京 210094; 2. 南京理工大学化工学院, 江苏 南京 210094)

1 引 言

镁作为一种金属燃料,具有熔点低、能量高的特性,已在固体火箭推进剂和烟火药剂中得到广泛应用[1]。使用镁基燃料的火箭发动机,其燃烧性能与镁颗粒着火燃烧特性密切相关。镁颗粒均匀散布在推进剂中,其燃烧过程十分复杂,属于非均相固、液、气三相反应,包括金属颗粒的结团、着火、燃烧及燃烧产物的弥散等系列复杂过程[2-3]。国内外许多学者都曾对单颗粒镁金属的燃烧特性进行了大量的实验和理论研究,确定了镁颗粒的燃烧是气相燃烧过程[3]。Derevyaga[4]和Kashireninov[5]对镁颗粒燃烧气相反应区进行了实验测试与分析,获得了相关动力学参数。Brzustowski等[6]基于Godsave的碳氢燃料液滴燃烧理论,建立了简化的镁金属颗粒蒸汽相燃烧模型,也即所谓快速反应模型,他假设反应过程受扩散控制,气相组分按当量比在“薄面区”内快速反应完成,且反应速率无限快。然而在实际遇到的镁金属微粒燃烧过程中,由于扩散速率大于气相氧化反应速率,故气相中不存在“薄反应区”。Edward等[7-8]选取了直径180～250 mm的镁颗粒,通过中止燃烧实验发现: 未燃的镁颗粒表面含有大量的氧原子,从而证明反应区不是“薄面区”,化学反应速率不是无限快。因此,快速反应模型已经不能精确描述镁金属微粒的实际反应特性。基于以上背景,本研究建立了镁金属微粒的一维球对称准稳态非快速反应燃烧模型(下文简称为非快速反应燃烧模型),针对单颗粒镁粒子在大气环境中的燃烧过程进行数值模拟,分析其燃烧场特性,并与现有实验结果(文献值)进行对比。……