高金屬含量水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒模型①

韓 超，夏智勛，胡建新，黃利亞，張興高，方丁酉

(1.國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長沙 410073;2.防化研究院，北京 102205)

0 引言

水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用水反應(yīng)金屬燃料和海水反應(yīng)，由于不需攜帶大量氧化劑，發(fā)動(dòng)機(jī)性能遠(yuǎn)高于常規(guī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是超高速魚雷的首選推進(jìn)系統(tǒng)，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)［1－4］。開展水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)燃燒機(jī)理研究，對(duì)充分了解水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定高效工作具有重要意義。

李是良［5］對(duì)鎂基水反應(yīng)金屬燃料一次燃燒機(jī)理進(jìn)行了探索，認(rèn)為鎂顆粒在一次燃燒過程中作為熱沉惰性吸熱，后隨熱解氣體進(jìn)入氣相進(jìn)行相變和氧化反應(yīng);其研究結(jié)果對(duì)了解水反應(yīng)金屬燃料一次燃燒過程具有重要參考價(jià)值。然而，鑒于水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的工作方式，僅了解燃料的一次燃燒過程是不夠的，尤其是隨著燃料中金屬含量的提高，燃料僅靠自身攜帶的氧化劑將無法自維持燃燒，環(huán)境中氧化劑(特指水)的存在有可能徹底改變水反應(yīng)金屬燃料的燃燒過程和機(jī)理。目前，國內(nèi)外尚沒有關(guān)于水反應(yīng)金屬燃料在水蒸氣環(huán)境下燃燒的相關(guān)研究報(bào)道。

本文針對(duì)金屬鎂含量超過70%的鎂基水反應(yīng)金屬燃料，以燃料在水蒸氣環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)燃燒試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)穩(wěn)態(tài)燃燒過程進(jìn)行分析，建立了鎂基高金屬含量水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒模型，為深入開展高金屬含量水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)燃燒機(jī)理研究提供參考。

1 試驗(yàn)基礎(chǔ)

為詳細(xì)了解鎂基水反應(yīng)金屬燃料的穩(wěn)態(tài)燃燒過程，在自行搭建的試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行了氬氣和水蒸氣環(huán)境下的燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)器為圓柱筒形，側(cè)面有2個(gè)透明的石英玻璃觀察窗，可對(duì)燃燒過程進(jìn)行錄像和火焰拍攝;燃料樣品放置在底座上，為保證拍攝的清晰度，引入氬氣作為吹除氣體，對(duì)燃燒過程產(chǎn)生的濃煙進(jìn)行吹除。試驗(yàn)所用水反應(yīng)金屬燃料樣品尺寸為6 mm×6 mm×70 mm，燃料側(cè)面包覆阻燃劑。試驗(yàn)時(shí)，在燃燒器中預(yù)先充填一定壓力的氬氣或水蒸氣，采用直徑0.15 mm的鎳鉻合金絲點(diǎn)燃樣品、0.5 mm K型熱電偶測(cè)量燃料燃燒波。

圖1 試驗(yàn)器Fig.1 Experiment device

試驗(yàn)測(cè)得工作壓強(qiáng)為2.0 MPa時(shí)，氬氣和水蒸氣環(huán)境下燃料穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的燃面溫度分別為785.1℃和900.1℃(高于鎂顆粒熔點(diǎn)650℃)，氣相平衡火焰溫度分別為1 085.2℃和1 214.9℃。說明鎂顆粒在燃面處熔化，并與氣相中的水蒸氣發(fā)生了燃燒反應(yīng)，引起氣相放熱量的增加，火焰溫度升高。

圖2給出了氬氣和水蒸氣環(huán)境下拍攝到的燃燒火焰，為便于比較，給出了含鋁復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒火焰［5］。從圖2可看出，鎂基水反應(yīng)金屬燃料燃燒時(shí)，火焰區(qū)緊貼燃面，火焰明亮，沒有顆粒燃燒形成的火星或軌跡;此外，水蒸氣氛圍下的火焰與氬氣氛圍下的火焰相比，火焰高度增加，亮度增大;進(jìn)一步表明鎂顆粒在燃面附近與水蒸氣發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，引起反應(yīng)區(qū)加長，放熱量增加。

圖2 火焰圖片F(xiàn)ig.2 Photos of combustion flame

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可得以下結(jié)論:(1)燃料中的鎂顆粒在燃面熔化，且絕大部分沒有進(jìn)入氣相;(2)液態(tài)鎂與下游擴(kuò)散來的水蒸氣在燃面附近發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。這將作為下一步建立模型的基礎(chǔ)。

2 物理模型

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，推斷鎂基水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒過程如下:在點(diǎn)火熱源的作用下，固體燃料吸熱升溫，在達(dá)到AP、HTPB的熱解溫度之前，燃料本身不發(fā)生化學(xué)變化，屬于惰性吸熱;隨著溫度的升高，燃料中的AP、HTPB開始發(fā)生熱分解反應(yīng)，凝相放熱量增加，升溫速率增大，熱解氣體產(chǎn)物之間進(jìn)行氧化放熱反應(yīng)，并向外擴(kuò)散;隨燃料溫度繼續(xù)升高，并達(dá)到鎂顆粒的熔點(diǎn)，燃料中的鎂顆粒開始熔化;由于鎂含量較高，分布較密集，可能出現(xiàn)小顆粒之間的凝聚，形成尺寸較大的液滴;鎂液滴與AP熱解氣體中的氧化性成分反應(yīng)放熱;由于燃料中AP、HTPB含量較低，產(chǎn)生的熱解氣體量少，鎂液滴大部分仍停留在燃面，沒有被帶入氣相;此時(shí)，下游水蒸氣擴(kuò)散到燃面附近，與高溫鎂液滴發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，并放出大量的熱量;鎂與水蒸氣燃燒產(chǎn)生高溫氫氣，帶動(dòng)固相產(chǎn)物氧化鎂向下游運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述分析，將鎂基水反應(yīng)金屬燃料的穩(wěn)態(tài)燃燒過程分為3個(gè)區(qū):惰性加熱區(qū)、凝相反應(yīng)區(qū)和氣相反應(yīng)區(qū)。在惰性加熱區(qū)，各組分吸熱升溫，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);凝相反應(yīng)區(qū)主要發(fā)生AP、HTPB的熱分解反應(yīng)，以及鎂顆粒吸熱熔化蒸發(fā);氣相反應(yīng)區(qū)包括AP、HTPB熱解產(chǎn)物之間的反應(yīng)及鎂的氧化反應(yīng)。借鑒BDP模型，考慮燃料中各組分含量，推測(cè)燃面附近氣相火焰結(jié)構(gòu)由4部分組成:由AP熱解氧化性產(chǎn)物與HTPB熱解產(chǎn)物形成的擴(kuò)散火焰;由AP熱解氧化性產(chǎn)物與Mg蒸氣形成的擴(kuò)散火焰;由AP熱解產(chǎn)物NH3和HClO4形成的AP預(yù)混火焰;由Mg蒸氣與擴(kuò)散到燃面附近的H2O形成的擴(kuò)散火焰，如圖3所示。

圖3 物理模型Fig.3 Physical model

鎂基水反應(yīng)金屬燃料的穩(wěn)態(tài)燃燒過程包括凝相反應(yīng)和氣相反應(yīng)，凝相反應(yīng)速率相比于氣相反應(yīng)速率來說要小得多。因此，燃速主要由凝相反應(yīng)過程決定［6］。如上所述，凝相反應(yīng)過程包括AP、HTPB熱分解和鎂顆粒吸熱熔化、蒸發(fā)，由于燃料中鎂的含量遠(yuǎn)高于AP、HTPB，且其熔點(diǎn)(650℃)也高于AP、HTPB熱分解溫度(約200℃)。因此，燃速主要決定于燃料中鎂顆粒的熔化、蒸發(fā)過程。水蒸氣擴(kuò)散到燃面與鎂進(jìn)行劇烈的放熱反應(yīng)，使得氣相火焰溫度升高，對(duì)燃面的熱反饋增加，通過影響鎂的熔化蒸發(fā)進(jìn)一步影響燃速。

3 數(shù)學(xué)模型

為推導(dǎo)理論燃速公式，進(jìn)行如下假設(shè):

(1)燃燒過程是一維準(zhǔn)定常的;

(2)凝相反應(yīng)過程尤其是鎂顆粒的熔化蒸發(fā)過程控制燃速;

(3)氣相反應(yīng)為簡單的均相反應(yīng);

(4)產(chǎn)物為完全氣體;

(5)忽略輻射傳熱。

3.1 理論燃速公式

根據(jù)燃面質(zhì)量平衡關(guān)系式:

假設(shè)各組分質(zhì)量燃速之比等于其在燃料中的質(zhì)量比［7］，則燃料的質(zhì)量燃速可表示為

圖4為一個(gè)Mg-HTPB-AP燃燒單元，a、b1、b2分別為燃燒單元中AP、HTPB、Mg的外緣距中心的距離。

圖4 Mg-HTPB-AP燃燒單元Fig.4 Combustion cell of Mg-HTPB-AP

假設(shè)燃面為平面熔化液層，則液態(tài)鎂燃燒面積與燃料總?cè)紵娣e的比為

燃料質(zhì)量燃速可表示為

其中，b1、b2可通過組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)求得［9］。

3.2 鎂蒸發(fā)速率

鎂基水反應(yīng)金屬燃料燃燒時(shí)，鎂顆粒在燃面熔化，由于燃料中鎂含量較高，相鄰的熔融液滴之間相互接觸、熔合，在燃面上形成連續(xù)的熔融層。燃面上液態(tài)鎂的蒸發(fā)燃燒模型如圖5所示，其中，Tfoam為熔融層起始溫度;Ts為燃面溫度;Tf為氣相平衡火焰溫度;Xs為熔融層厚度;Xf為火焰高度。液態(tài)鎂的蒸發(fā)速率可參考液滴在靜止環(huán)境中的蒸發(fā)燃燒速率公式進(jìn)行推導(dǎo)［8］:

式中 λg、cpg分別為氣相熱導(dǎo)率和比定壓熱容;cpl、L分別為液態(tài)鎂的比定壓熱容和氣化潛熱;T∞、YOX，∞分別為無窮遠(yuǎn)處環(huán)境溫度和氧化劑濃度;QF為鎂的燃燒熱;β為燃燒反應(yīng)當(dāng)量比。

3.3 燃面溫度

根據(jù)能量守恒，燃面熱平衡方程可表示如下:

各值的求解可參考文獻(xiàn)［9］。由式(7)可求得燃面溫度:

綜合式(4)、式(5)、式(8)，即可求得理論燃速。

圖5 液態(tài)鎂蒸發(fā)燃燒模型Fig.5 Vaporization model of liquid magnesium

4 模型驗(yàn)證與討論

采用上述模型對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果列在表1中。從表1可看出，采用本文模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可用來模擬鎂基高金屬含量水反應(yīng)金屬燃料的穩(wěn)態(tài)燃燒過程。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparision between results of experiment and calculation

在燃料組分一定時(shí)，影響燃速的因素主要有環(huán)境壓強(qiáng)和環(huán)境中水蒸氣濃度。下面對(duì)這2種因素的影響進(jìn)行簡要分析:

(1)環(huán)境壓強(qiáng)

圖6所示為對(duì)燃料基礎(chǔ)配方進(jìn)行計(jì)算所得到的燃速隨壓強(qiáng)變化曲線。從圖6可看出，燃速隨環(huán)境壓強(qiáng)的升高而增大，這與以往的結(jié)論一致［10］。圖7所示為各火焰對(duì)燃面的熱反饋隨壓強(qiáng)變化曲線。4個(gè)火焰熱反饋中，Mg/H2O擴(kuò)散火焰對(duì)燃面的熱反饋(Q-H2O)隨壓強(qiáng)的升高變化不大;AP/Mg擴(kuò)散火焰對(duì)燃面的熱反饋(Q-Mg)隨壓強(qiáng)的升高而減少;AP/HTPB擴(kuò)散火焰對(duì)燃面的熱反饋(Q-HTPB)隨壓強(qiáng)增加而增加;AP火焰對(duì)燃面的熱反饋(Q-AP)隨壓強(qiáng)增加變化不大。

圖6 燃速隨環(huán)境壓強(qiáng)變化Fig.6 Change of burning rate with the ambient pressure

圖7 火焰熱反饋隨環(huán)境壓強(qiáng)變化Fig.7 Change of flame thermal feedback with the ambient pressure

由于Mg/H2O擴(kuò)散火焰高度受壓強(qiáng)影響較小，因此熱反饋?zhàn)兓淮?AP/Mg擴(kuò)散火焰高度隨壓強(qiáng)的升高略有降低，但由于總的質(zhì)量流量增加，導(dǎo)致無量綱火焰高度增加，因此熱反饋減少;AP/HTPB擴(kuò)散火焰高度隨壓強(qiáng)升高降低幅度大于AP/Mg擴(kuò)散火焰，故熱反饋增加。

圖7顯示，在4個(gè)火焰熱反饋中，Mg/H2O擴(kuò)散火焰對(duì)燃面的熱反饋遠(yuǎn)大于其余3個(gè)火焰的熱反饋，也就是Mg和水蒸氣的燃燒在整個(gè)燃燒過程中占有重要的地位，對(duì)燃料燃速具有決定性的影響。因此，改善水反應(yīng)金屬燃料燃燒應(yīng)從強(qiáng)化Mg/H2O反應(yīng)著手。此外，AP/Mg擴(kuò)散火焰對(duì)燃面的作用也很重要，應(yīng)就是燃料自維持燃燒的主要能量來源。相對(duì)來說，AP火焰對(duì)燃面的熱反饋(Q-AP)近似等于零，幾乎可忽略。

(2)水蒸氣濃度

圖8為燃速隨環(huán)境中水蒸氣濃度的變化曲線，燃速隨環(huán)境中水蒸氣濃度的增加而增大，且水蒸氣濃度越大，趨勢(shì)越明顯;圖9為火焰對(duì)燃面的熱反饋隨環(huán)境中水蒸氣濃度的變化曲線。Mg/H2O擴(kuò)散火焰熱反饋(Q-H2O)隨環(huán)境中水蒸氣濃度增加而增大，AP/Mg擴(kuò)散火焰和AP/HTPB擴(kuò)散火焰熱反饋(Q-Mg、Q-HTPB)隨水蒸氣濃度增加而減小，AP火焰熱反饋(Q-AP)接近于零且變化不大。

圖8 燃速隨環(huán)境中水蒸氣濃度變化Fig.8 Change of burning rate with the concentration of steam

圖9 火焰熱反饋隨環(huán)境中水蒸氣濃度變化Fig.9 Change of flame thermal feedback with the concentration of steam

隨環(huán)境中水蒸氣濃度增加，鎂與水蒸氣燃燒更充分，放熱量增加，對(duì)燃面的熱反饋增加;根據(jù)式(5)可知，鎂的蒸發(fā)速率增大，燃料質(zhì)量燃速增大，由此引起AP/Mg和AP/HTPB擴(kuò)散火焰高度增加［9］，對(duì)燃面的熱反饋減小。但由于總的熱反饋增加，因此燃速增大。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算壓強(qiáng)范圍內(nèi)，AP火焰對(duì)燃面的熱反饋可忽略，從而燃面附近火焰結(jié)構(gòu)可簡化成3個(gè)火焰，即AP/Mg擴(kuò)散火焰、AP/HTPB擴(kuò)散火焰及Mg/H2O擴(kuò)散火焰。

5 結(jié)論

(1)鎂基高金屬含量水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)，鎂顆粒在燃面熔化，并與下游擴(kuò)散來的水蒸氣在燃面附近進(jìn)行劇烈的燃燒反應(yīng)。

(2)建立了鎂基高金屬含量水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒模型，提出燃面附近氣相火焰結(jié)構(gòu)由AP預(yù)混火焰、AP/HTPB擴(kuò)散火焰、AP/Mg擴(kuò)散火焰、Mg/H2O擴(kuò)散火焰4部分組成。

(3)認(rèn)為燃料中鎂的熔化蒸發(fā)為燃速控制過程，提出采用平液面蒸發(fā)模型描述液態(tài)鎂的蒸發(fā)速率。

(4)分析了環(huán)境壓強(qiáng)和環(huán)境中水蒸氣濃度對(duì)燃燒特性的影響，當(dāng)燃料組分一定時(shí)，環(huán)境壓強(qiáng)和水蒸氣濃度的提高將帶來燃速和燃面溫度的增加。

(5)在計(jì)算壓強(qiáng)范圍內(nèi)，AP預(yù)混火焰對(duì)燃燒的影響很小，而Mg/H2O擴(kuò)散火焰在整個(gè)燃燒過程中占有重要地位，對(duì)燃料燃速具有決定性的影響。

模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明該模型可用來模擬鎂基水反應(yīng)金屬燃料穩(wěn)態(tài)燃燒過程。結(jié)論(4)、(5)有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

致謝:感謝國防科技大學(xué)張煒教授及其課題組提供的幫助!

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