劉道平，夏智勛，胡建新，黃利亞，方傳波(.國防科技大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙40073；.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙40073)

固沖補(bǔ)燃室團(tuán)聚硼顆粒燃燒試驗(yàn)*

劉道平1，夏智勛1，胡建新2，黃利亞2，方傳波1
(1.國防科技大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410073；2.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

研究團(tuán)聚硼顆粒在補(bǔ)燃室中的點(diǎn)火燃燒對提高固沖發(fā)動機(jī)性能具有重要意義。通過試驗(yàn)?zāi)M固沖發(fā)動機(jī)工作過程的方法，開展了補(bǔ)燃室流場條件下的團(tuán)聚硼顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)。結(jié)合高速火焰圖像處理技術(shù)和流場參數(shù)測量結(jié)果，對試驗(yàn)中團(tuán)聚硼顆粒的點(diǎn)火燃燒狀態(tài)、火焰結(jié)構(gòu)以及顆粒尺寸變化等進(jìn)行了分析，獲得了補(bǔ)燃室燃?xì)鉁囟群脱鯕夂康纫蛩貙F(tuán)聚硼顆粒點(diǎn)火燃燒過程的影響機(jī)制。對燃燒殘?jiān)M(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)燃燒前后顆粒尺寸變化不大，燃燒過程中高溫氣流可能進(jìn)入了顆粒內(nèi)部并與硼顆粒發(fā)生反應(yīng)。

固沖補(bǔ)燃室；團(tuán)聚硼顆粒；燃燒；試驗(yàn)研究

含硼富燃料推進(jìn)劑在固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)(固沖發(fā)動機(jī))中具有良好的應(yīng)用前景。從20世紀(jì)60年代開始，國外許多學(xué)者開展了大量相關(guān)研究。Schadow［1］認(rèn)為固沖發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口的燃?xì)鉁囟炔蛔阋允古痤w粒在補(bǔ)燃室中自維持燃燒，當(dāng)燃?xì)庵械臍怏w燃料與摻混空氣中的氧反應(yīng)使燃?xì)鉁囟壬吆?，硼顆粒才能點(diǎn)火燃燒。Ciezki［2］也獲得了硼顆粒在燃燒室內(nèi)燃燒的一些重要特性。Mellor［3］的研究表明燃?xì)獍l(fā)生器一次燃燒產(chǎn)物中硼顆粒的尺寸與其在推進(jìn)劑中的初始尺寸相差不大。Pein等［4］的研究表明補(bǔ)燃室內(nèi)的旋流有利于硼顆粒的點(diǎn)火燃燒、延長硼顆粒駐留時(shí)間和提高推進(jìn)劑燃燒效率等。Anderson等［5］從理論上研究了含硼固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)中硼顆粒的摻混、著火和燃燒過程。Gany［6］發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑中的硼以顆粒團(tuán)的形式從裝藥表面離開而進(jìn)入氣相參與反應(yīng)。國內(nèi)的相關(guān)研究始于20世紀(jì)90年代。夏智勛等［7］較早從理論上研究了氣流條件下和考慮Stefan影響的單顆粒硼著火過程。陳林泉等［8］也基于數(shù)值模擬研究了燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴出口布局、形狀以及硼顆粒粒徑等對發(fā)動機(jī)摻混效果和燃燒效率的影響。李疏芬［9］、王英紅［10］、敖文［11］、肖金武［12］、高東磊［13］和范紅杰等［14］通過硼顆粒包覆、團(tuán)聚和添加易燃金屬等方式，在改善硼的著火燃燒性能、促進(jìn)硼顆粒在發(fā)動機(jī)中快速高效燃燒等方面做了大量研究。

硼在補(bǔ)燃室摻混燃燒過程會產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，團(tuán)聚硼顆粒是硼顆粒在補(bǔ)燃室中著火燃燒的一種重要形態(tài)，對固沖發(fā)動機(jī)的性能具有重要影響，本文以試驗(yàn)的方式開展補(bǔ)燃室環(huán)境下團(tuán)聚硼顆粒的著火燃燒過程研究。

1 試驗(yàn)過程

1.1 團(tuán)聚硼顆粒制作與固定

使用的團(tuán)聚硼顆粒(見圖1)由河北保定中普瑞托有限公司將純度大于95%、粒徑為10～40μm的晶體硼顆粒(見圖2)在真空中壓制而成，粒徑大小為10mm左右。

圖1 晶體硼團(tuán)聚顆粒Fig.1 boron particle agglomeration

圖2 晶體硼的掃描電子顯微圖Fig.2 Scanning electronic micrograph of crystal boron particles

如圖3所示，為了觀測補(bǔ)燃室流場中單個(gè)團(tuán)聚硼顆粒的點(diǎn)火燃燒過程，將團(tuán)聚硼顆粒固定在補(bǔ)燃室中，防止硼顆粒被高速氣流吹走。

圖3 團(tuán)聚硼顆粒固定圖Fig.3 Fixation micrograph of boron particle agglomeration

固定的方式是在團(tuán)聚硼顆粒中心打小孔(約1mm)，在垂直方向和水平方向各安裝一根耐高溫的鎢棒對團(tuán)聚硼顆粒進(jìn)行固定和支撐。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主體部分為一個(gè)帶燃?xì)獍l(fā)生器和補(bǔ)燃室的仿真固沖發(fā)動機(jī)組成，還有空氣、氧氣和乙醇供應(yīng)系統(tǒng)，高速攝影系統(tǒng)，固體燃燒產(chǎn)物取樣裝置，冷卻系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental system

1.3 試驗(yàn)時(shí)序

試驗(yàn)中測量的氧氣、乙醇和氮?dú)赓|(zhì)量流量-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 質(zhì)量流量-時(shí)間曲線Fig.5 Mass flow rate versus time

試驗(yàn)時(shí)序分為四個(gè)階段:第一階段(0～6.5s)，在燃?xì)獍l(fā)生器中加入氧氣(280g/s)和乙醇(120g/s)，點(diǎn)火燃燒產(chǎn)生的富氧燃?xì)鈱ε痤w粒進(jìn)行加熱和點(diǎn)火，乙醇完全燃燒所需的氧氣質(zhì)量流量約為250g/s，因此燃?xì)獍l(fā)生器是富氧條件，氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)是8.1%；第二階段(6.5～8s)，在燃?xì)獍l(fā)生器中補(bǔ)充加入氧氣(80g/s)，使燃?xì)庵械难鯕夂吭龃?，摩爾分?jǐn)?shù)上升到21.9%；第三階段(8～17s)，燃?xì)獍l(fā)生器停止點(diǎn)火，同時(shí)停止加入乙醇，加入質(zhì)量流量為200g/s的氮?dú)?，氧氣質(zhì)量流量不變，這時(shí)補(bǔ)燃室流場的溫度下降，氧氣含量繼續(xù)上升，摩爾分?jǐn)?shù)為61.2%；第四階段(17～30s)，在燃?xì)獍l(fā)生器中補(bǔ)充加入質(zhì)量流量為140g/s的氧氣，雖然補(bǔ)燃室流場的溫度較低，但是氧氣含量繼續(xù)上升，摩爾分?jǐn)?shù)為68.6%。

1.4 診斷方法

團(tuán)聚硼顆粒的點(diǎn)火燃燒過程通過石英玻璃觀察窗用高速攝影儀進(jìn)行記錄。為判斷燃燒過程火焰面的變化以及燃燒前后的顆粒尺寸變化，采用圖像邊緣檢測技術(shù)在高速攝影儀的視場中提取團(tuán)聚硼顆粒的初始輪廓，將加熱和燃燒過程中的圖像與初始圖像進(jìn)行對比，從而獲得試驗(yàn)過程中團(tuán)聚硼顆粒的形狀尺寸變化和火焰位置、形狀變化。團(tuán)聚硼顆粒的初始輪廓如圖3所示。燃燒后的殘?jiān)萌樟-4800型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、島津XRD-6100型X射線衍射儀(X-Ray Diffraction，XRD)、日立TM3000型能譜儀(Energy Disperse Spectroscopy，EDS)進(jìn)行分析。

圖6 流場參數(shù)測量結(jié)果Fig.6 Measurement results of flow field parameters

圖7 第一階段補(bǔ)燃室圖像Fig.7 Photo of secondary chamber in the first phase

2 結(jié)果及分析

2.1 補(bǔ)燃室壓力、溫度測量結(jié)果

試驗(yàn)中，對補(bǔ)燃室壁面附近的流場溫度和壓力進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可知，從5s開始，壓強(qiáng)迅速上升，到達(dá)0.33MPa左右，與固沖發(fā)動機(jī)補(bǔ)燃室接近，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器停止點(diǎn)火，加入氧氣和氮?dú)夂?，補(bǔ)燃室壓強(qiáng)迅速下降到接近環(huán)境壓強(qiáng)。由圖6(b)可知，在第一階段，補(bǔ)燃室壁面附近溫度達(dá)到1200K左右，在第二階段增加氧氣量后，燃燒溫度進(jìn)一步上升，達(dá)到1400K以上，由于壁面采用了冷卻，所以溫度要低于流場中心溫度，燃?xì)獍l(fā)生器停止點(diǎn)火后，氣流溫度迅速下降。

2.2 火焰圖像分析

第一階段的補(bǔ)燃室以及顆粒圖像如圖7所示。圖7(a)和圖7(b)分別為加熱開始、加熱過程中的團(tuán)聚硼顆粒照片。由圖可以看出，在試驗(yàn)過程的第一階段，硼顆粒的邊緣位置基本無變化，硼顆粒周圍未能觀測到火焰出現(xiàn)，硼顆粒沒有點(diǎn)火燃燒，形狀也沒有變化，說明補(bǔ)燃室流場的溫度和氧氣濃度的綜合作用不足以使硼顆粒點(diǎn)火。

第二階段的補(bǔ)燃室以及顆粒圖像如圖8所示。圖8(a)顯示硼顆粒未點(diǎn)火燃燒，圖8(b)顯示硼顆粒劇烈燃燒，團(tuán)聚硼顆粒周圍出現(xiàn)了亮白色火焰。這是由于在燃?xì)獍l(fā)生器中增加氧氣流量后，由于氧氣濃度的增大，乙醇燃燒更加充分，燃?xì)鉁囟壬仙?，硼顆粒點(diǎn)火燃燒。

第三階段的補(bǔ)燃室以及顆粒圖像如圖9所示。由于停止了乙醇供應(yīng)，并加入了氮?dú)猓沟脺囟韧蝗幌陆?，補(bǔ)燃室火焰變暗，同時(shí)團(tuán)聚硼顆粒幾乎熄滅。

第四階段的顆粒圖像如圖10所示。圖10(a)中團(tuán)聚硼顆粒重新點(diǎn)火并劇烈燃燒，在高速氣流作用下，迎風(fēng)面火焰消失。硼顆粒燃燒一段時(shí)間后，如圖10(b)所示，其火焰逐漸熄滅，可能是由于氧化物凝結(jié)在顆粒表面阻止了繼續(xù)燃燒。觀察熄滅后的硼顆粒，發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸和位置幾乎沒有變化。

2.3 燃燒殘?jiān)治?/p>

對顆粒燃燒的殘?jiān)M(jìn)行直接觀察，外表面形態(tài)如圖11(a)所示，呈灰黑色，有白色物質(zhì)，迎風(fēng)面的顏色較深接近黑色，背風(fēng)面的顏色較淺，呈灰色。顆粒剖面形態(tài)如圖11(b)所示，顏色與外表面基本一致，迎風(fēng)面比較緊實(shí)，空隙較少，顏色較深，呈黑色，有成片的白色物質(zhì)，而背風(fēng)面空隙較多而大，呈灰色，沒有發(fā)現(xiàn)明顯成片的白色物質(zhì)。由直接觀察結(jié)果可知，燃燒過程中高溫氣流可能進(jìn)入了顆粒內(nèi)部，燃?xì)庵械腃O2可能與硼反應(yīng)生成了硼的氧化物和單質(zhì)的碳，在顆粒內(nèi)部聚集。

圖8 第二階段補(bǔ)燃室圖像Fig.8 Photo of secondary chamber in the second phase

圖9 第三階段補(bǔ)燃室圖像Fig.9 Photo of secondary chamber in the third phase

圖10 第四階段補(bǔ)燃室圖像Fig.10 Photo of secondary chamber in the fourth phase

圖11 燃燒后顆粒形貌Fig.11 Photo of the particle after the test

對殘?jiān)M(jìn)行SEM測試，結(jié)果如圖12所示。燃燒后顆粒表面物質(zhì)的形貌分為兩種，一種是呈塊狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，另一種是疏松狀的物質(zhì)。

圖12 顆粒表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig12 SEM photo of the particle surface

圖13 殘?jiān)腦射線衍射譜圖Fig.13 X-ray diffraction patterns of the particle

對殘?jiān)M(jìn)行XRD測試，結(jié)果如圖13所示。殘?jiān)闹饕锵酁锽(OH)3，這是由于單質(zhì)硼燃燒后產(chǎn)生的氧化硼與空氣中的水蒸氣反應(yīng)生產(chǎn)了晶體的B(OH)3。物相中含有微弱的單質(zhì)碳的X射線衍射峰，說明殘?jiān)泻袉钨|(zhì)碳的晶體結(jié)構(gòu)。物相中沒有檢測到單質(zhì)硼，可能單質(zhì)硼表面被硼的氧化物包裹，無法檢測出來。

分別對殘?jiān)惺杷蔂钗镔|(zhì)和塊狀物質(zhì)進(jìn)行EDS測試，結(jié)果如表1所示。

表1 能譜測試結(jié)果Tab.1 EDS examination results%

樣品的主要元素成分為B，O，C，其中疏松狀物質(zhì)中的氧含量比較高，而碳含量較低，塊狀物質(zhì)中的氧含量較低，碳含量較高。

3 結(jié)論

(1)提出了一種補(bǔ)燃室條件下的團(tuán)聚硼顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)方法，試驗(yàn)中補(bǔ)燃室壓強(qiáng)可以到達(dá)0.33MPa左右，壁面溫度可達(dá)1400K以上，可為團(tuán)聚硼顆粒點(diǎn)火燃燒提供接近真實(shí)補(bǔ)燃室的流場條件，而且可以通過改變反應(yīng)物流量，方便調(diào)整補(bǔ)燃室流場條件。

(2)通過對高速圖像中團(tuán)聚硼顆粒輪廓的提取，提出了一種團(tuán)聚硼顆粒點(diǎn)火燃燒過程辨識方法，可以對團(tuán)聚硼顆粒的點(diǎn)火燃燒過程、火焰結(jié)構(gòu)以及顆粒尺寸變化等進(jìn)行分析。

(3)當(dāng)補(bǔ)燃室流場溫度較高而氧氣含量低時(shí)，團(tuán)聚硼顆粒不點(diǎn)火燃燒。增大氧氣含量后，團(tuán)聚硼顆?？梢渣c(diǎn)火燃燒。溫度降低后，雖然氧氣濃度較高，但硼顆粒不燃燒，需要進(jìn)一步增大氧氣含量，才能使團(tuán)聚硼顆粒重新點(diǎn)火燃燒。

(4)試驗(yàn)前后團(tuán)聚硼顆粒的尺寸變化不大，氧化物向顆粒的背風(fēng)面集聚較多。燃燒過程中高溫氣流可能進(jìn)入了顆粒內(nèi)部并與硼顆粒發(fā)生反應(yīng)，殘?jiān)蚊卜譃槭杷蔂詈蛪K狀兩種，前者氧含量比較高，碳含量較低，后者氧含量較低，碳含量較高。

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Experimental investigation of combustion of boron particle agglomeration in secondary chamber

LIU Daoping1，XIA Zhixun1，HU Jianxin2，HUANG Liya2，F(xiàn)ANG Chuanbo1
(1.Science and Technology on Scramjet Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Investigation of boron particle agglomeration ignition and combustion in secondary chambers is very important for increasing the capabilities of ducted rockets.By experimentally mimicking ducted rockets，boron particle agglomeration ignition and combustion in secondary chamber flow field was investigated.The ignition and combustion processes，flame constructions and size changes of boron particle agglomeration were analyzed with the image processing techniques of high speed flame and the measurement results of flow field parameters.The effects of gas temperature and oxygen content on ignition and combustion of boron particle agglomeration were acquired.The analysis result of residue indicates that the particle size changes little and the gasmay get into the boron particle agglomeration and reactwith boron particles.

secondary chamber；boron particle agglomeration；combustion；experimental investigation

TN95

A

1001-2486(2015)05-116-05

10.11887/j.cn.201505018

http://journal.nudt.edu.cn

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276194)

劉道平(1981—)，男，湖南桃江人，博士研究生，E-mail:liu_dping@hotmail.com；夏智勛(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail:zxxia@nudt.edu.cn