楊 虹，王英紅*，唐梓辰，張鑫鵬，楊時(shí)敏，王旭波

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，湖州 313000)

0 引言

硼(B)因具有較高的質(zhì)量熱值(58.28 MJ/kg)和體積熱值(136.38 kJ/cm)成為高能富燃料推進(jìn)劑中的首選金屬添加劑。在含B富燃料推進(jìn)劑配方優(yōu)化過程中，不同條件下B粉的燃燒機(jī)理、燃燒效率成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)，針對溫度、壓力、氣氛等環(huán)境因素對B粉點(diǎn)火燃燒及能量釋放產(chǎn)生的影響也展開了大量研究。由于B具有高熔點(diǎn)(2573 K)、高沸點(diǎn)(4139 K)的特殊性質(zhì)，且其氧化物BO的熔點(diǎn)(718 K)低、沸點(diǎn)(2133 K)高，呈液膜狀附著在B顆粒表面難以揮發(fā)，故在B粉燃燒放熱量測試過程中存在B點(diǎn)火困難且燃燒不充分的問題，導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果往往遠(yuǎn)小于理論熱值，B粉燃燒效率低是阻礙含B富燃料推進(jìn)劑得到廣泛應(yīng)用的主要問題。目前多采用添加助燃劑的方法，利用氧彈量熱儀測試B粉燃燒放熱量，以燃燒效率表征B粉燃燒性能的好壞。由于燃燒過程會(huì)受到助燃劑種類、助燃劑比例、混合方式、氧彈內(nèi)環(huán)境等多種因素的影響，因此即使針對同一種B粉，不同研究者測試得到的燃燒效率也有所差異。

為了改善B粉點(diǎn)火及燃燒性能，國內(nèi)外研究者開展了相應(yīng)的工作。UDA采用激波管對40 μm左右的B顆粒在0.1～2 MPa下的點(diǎn)火燃燒特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，提高環(huán)境壓強(qiáng)，可以降低B粒子的點(diǎn)火溫度，從1900 K (0.1 MPa)下降至1400 K (2 MPa)，改變環(huán)境壓強(qiáng)對B粒子燃燒時(shí)間影響較小。LEIBU等通過平面燃燒器對B-Ti復(fù)合顆粒進(jìn)行點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)，將15%、20%、30%的Ti (粒徑1～3 μm)與B (粒徑1 μm)形成的團(tuán)聚顆粒注入平面燃燒器中，結(jié)果表明，由于Ti易點(diǎn)火且燃燒時(shí)釋放出大量熱，可迅速點(diǎn)燃B粒子，當(dāng)加入15%的Ti與B所形成的團(tuán)聚體中，B粒子點(diǎn)火時(shí)間相比單B粒子縮短了25%。TRUNOV等通過阻滯反應(yīng)將B與Ti按照摩爾比2∶1研磨制備成納米復(fù)合粉末，對B-Ti混合物的燃燒進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Ti易點(diǎn)火發(fā)生氧化反應(yīng)，且反應(yīng)速率較快，燃燒時(shí)釋放出的熱量可迅速加熱B粒子，從而提高B點(diǎn)火過程中的升溫速率，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，且反應(yīng)生成TiB可釋放出大量熱，為B粉燃燒提供高溫環(huán)境，有助于改善B粉的點(diǎn)火燃燒性能。YEH等研究了常壓下粒徑為3 μm左右的B粉以及Mg粉包覆過的B顆粒的點(diǎn)火及燃燒特性，結(jié)果表明，隨著氧氣濃度的增加，B粉的點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短，尤其有水蒸汽存在的情況下縮短趨勢更顯著。此外，經(jīng)Mg粉包覆過的B粉點(diǎn)火延遲時(shí)間更短，當(dāng)Mg含量大于1%時(shí)，反而不利于B粉點(diǎn)火。國外學(xué)者對B粉的研究多集中在如何縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，改善點(diǎn)火燃燒性能方面，在提高B粉燃燒效率方面涉及內(nèi)容較少。張勤林、張昊等研究了苯甲酸、90方片藥、Mg粉、某火箭推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)藥四種物質(zhì)作助燃劑時(shí)對B粉燃燒效率的影響，并給出了助燃劑的選取標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為助燃劑應(yīng)具有易引燃、高熱值，燃速和B粉相匹配且與B粉有良好的相容性等特點(diǎn)；當(dāng)使用某種火箭推進(jìn)劑作助燃劑，與B粉混合比例為15∶1時(shí)，B粉實(shí)測燃燒熱可達(dá)理論熱值的99.26%；然而助燃劑用量越多，測試結(jié)果的不確定度越大，導(dǎo)致測試結(jié)果重現(xiàn)性不好，因此需在保證B粉燃燒效率的同時(shí)，設(shè)法減少助燃劑用量。劉林林等以雙基推進(jìn)劑作助燃劑，將其與B粉分別進(jìn)行簡單混合、研磨混合及分子間混合，測得B粉在2 MPa下的燃燒熱值分別為44 439、48 348、54 245 J/g。分析認(rèn)為，由于分子間混合可使B粉與助燃劑更加緊密接觸，因而B粉的實(shí)測熱值更高，但未對氧氣濃度、氧彈結(jié)構(gòu)等因素展開研究。陳濤等采用氧彈量熱計(jì)考察了Mg、Al、Ti對含B富燃料推進(jìn)劑能量釋放特性的影響，結(jié)果表明，低耗氧、高放熱的Mg可為B粉營造合適的高溫環(huán)境，Mg含量為8%時(shí)，B粉燃燒效率可達(dá)72.51%。樊榮等分析了4 MPa氧氣氛圍下，當(dāng)助燃劑與B粉質(zhì)量比為1∶1、3∶1、6∶1、9∶1時(shí)B粉燃燒效率的不同，結(jié)果表明，當(dāng)助燃劑與B粉質(zhì)量比大于6∶1時(shí)，助燃劑對提高B粉燃燒效率的作用降低；當(dāng)B粉含量較高時(shí)，環(huán)境壓強(qiáng)越高，燃燒時(shí)的“冷壁效應(yīng)”越嚴(yán)重，B粉平均燃燒效率為73.74%，論文僅針對助燃劑比例與環(huán)境壓強(qiáng)進(jìn)行了分析，未給出具體的優(yōu)化數(shù)值，同樣未對氧彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)對B粉燃燒效率的影響進(jìn)行深入分析。張先瑞等通過燃燒熱測試考察了B粉改性處理對其燃燒難易程度的影響，結(jié)果顯示，B粉的燃燒效率高低順序?yàn)長iF包覆B粉>無定形B粉>團(tuán)聚B粉，為了兼顧工藝性能，含B富燃料推進(jìn)劑中必須采用團(tuán)聚B，因此還需設(shè)法提高團(tuán)聚B的燃燒效率。黃禮鏗等認(rèn)為，B粉的燃燒效率直接影響含B富燃料推進(jìn)劑的燃燒效率，通過減小B粉粒徑(1～2 μm)及提高一次燃?xì)鉁囟刃纬蓛煞N改進(jìn)配方，使得試驗(yàn)工況下推進(jìn)劑的燃燒效率從0.612提高至0.83。

研究并分析氧彈中影響B(tài)粉燃燒效率的各種因素，使B粉完全燃燒且充分放熱，有利于準(zhǔn)確測得B粉燃燒放熱量，進(jìn)而表征B粉能量性能。本文針對助燃劑比例、充氧壓強(qiáng)、氧彈中坩堝大小、坩堝位置、坩堝支架有無擋板等多個(gè)因素進(jìn)行了研究，分析不同因素對B粉燃燒放熱量的影響，以期更大程度地提高B粉燃燒效率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器：微機(jī)全自動(dòng)量熱儀(ZDHW-HN7000C)，真空干燥箱(DZ-1BCIV)，分析天平(精度為0.000 1 g)，切藥機(jī)，粉碎機(jī)，500 ml燒杯，玻璃棒，玻璃平板，金屬鏟，鋼針。

實(shí)驗(yàn)原料：無定型B粉，純度90%，粒徑1～3 μm，遼寧天元化工廠；助燃劑為雙鉛-2推進(jìn)劑(SQ-2)，成分為60%硝化棉、25.7%硝化甘油、8.8%二硝基甲苯、3%二號中定劑、1.2%氧化鉛、1.3%碳酸鈣，四川瀘州215廠；丙酮(分析純)。

1.2 樣品制備

以丙酮作為溶劑，對B粉與SQ-2采用干法與濕法相結(jié)合的方式進(jìn)行樣品制備。

將SQ-2與B粉分別按照質(zhì)量比為4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1精確稱量，倒入燒杯中進(jìn)行干混，按照SQ-2與丙酮質(zhì)量比為4∶1量取丙酮(丙酮用量為多次實(shí)驗(yàn)后確定)，倒入燒杯后立即用玻璃棒攪拌，持續(xù)時(shí)間60 s，B粉與SQ-2在丙酮的作用下成為粘稠狀混合物。將其倒置于玻璃平板上，使用金屬鏟擠壓，持續(xù)時(shí)間30 min，粘稠的B粉與SQ-2混合物逐漸成為一種具有柔韌性、可塑造的膠化藥團(tuán)。將其分散成小球，使用鋼針扎孔。將多孔球狀試樣置于真空干燥箱中，放置24 h后，采用切藥機(jī)切成塊狀物，置于粉碎機(jī)中粉碎，再次干燥24 h后取出，稱取質(zhì)量并作記錄，每間隔半小時(shí)重復(fù)上述步驟，當(dāng)兩次質(zhì)量差值低于0.001 g時(shí)，可認(rèn)為試樣中的丙酮已完全去除，樣品制作完成。

1.3 B粉燃燒放熱量測試實(shí)驗(yàn)條件

(1)一次實(shí)驗(yàn)所用的試樣質(zhì)量控制在2.5 g左右，相對誤差不超過0.01 g。

(2)根據(jù)GJB 770B—2005方法701.2中規(guī)定，樣品進(jìn)行燃燒放熱量測試時(shí)，充氧壓強(qiáng)需達(dá)到2.8～3.0 MPa，對難燃燒的試樣還可以提高到3.2 MPa，充氧時(shí)間不得少于15 s。針對本實(shí)驗(yàn)測試所用試樣質(zhì)量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程算出理論需氧量(包括B粉與SQ-2)為0.050 36 mol，由于氧彈體積已知，可計(jì)算出對應(yīng)充氧壓強(qiáng)為0.5 MPa。因此將充氧壓強(qiáng)分別取為1、2、3、3.3、3.6 MPa。

(3)實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)GB/T 213—2003相關(guān)操作步驟，采用標(biāo)準(zhǔn)量熱物質(zhì)苯甲酸對量熱體系進(jìn)行熱容量標(biāo)定，取多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，得到量熱體系的熱容量為10 393.53 J/K。

(5)SQ-2推進(jìn)劑作為一種最早研制并廣泛應(yīng)用的成熟推進(jìn)劑，因其能量指標(biāo)、燃燒性能、力學(xué)性能和貯存性能等均較為穩(wěn)定，常被選做性能參數(shù)計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)劑，故將其作為B粉燃燒放熱量測試過程中的助燃劑。由于SQ-2組分均勻，燃燒熱值穩(wěn)定，經(jīng)車削、粉碎后采用100目的不銹鋼篩過濾，測得其燃燒熱值為11 199 J/g。

(6)為了使B粉易于點(diǎn)燃，采用點(diǎn)火絲與棉線相結(jié)合的引燃方式，點(diǎn)火絲與棉線均由量熱儀廠家提供，二者長度一定，總熱值為150 J。

1.4 氧彈內(nèi)流場數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)條件

采用Fluent軟件模擬B粉在氧彈中燃燒時(shí)溫度及氧氣濃度的分布，采用的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法如下：

(1)氣相控制方程包括連續(xù)性方程、N-S方程及能量守恒方程，均采用歐拉法描述連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)，同時(shí)需考慮流體粘性、熱傳導(dǎo)和可壓縮性對氣相的影響。

(2)B粉燃燒過程中，SQ-2燃燒產(chǎn)生大量氣體，其流動(dòng)狀態(tài)為湍流流動(dòng)，故選擇形式簡單，具有良好通用性的標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型。

(3)由于氧彈及坩堝為軸對稱結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模擬中取對稱軸的一半?yún)^(qū)域?yàn)橛?jì)算幾何模型。

(4)對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將坩堝簡化處理成一個(gè)無厚度的壁面，在邊界參數(shù)設(shè)置時(shí)指定壁面的厚度為1 mm。

(5)氧彈的中心軸線為物理模型的軸對稱邊界(axis)條件，入口邊界條件采用質(zhì)量流率入口邊界條件，計(jì)算得到質(zhì)量流率為0.033 08 kg/s。

(6)數(shù)值模擬時(shí)初始壓力設(shè)置為3 MPa，初始氧氣濃度為100%。

(7)選取三種不同的坩堝位置，與氧彈底部距離分別為10、15、20 mm。

(8)為了保證坩堝裝樣質(zhì)量一致，坩堝的體積需相同，通過改變坩堝高度來表示坩堝的大小，選取三種大小不同的坩堝，其高度分別為5、10、15 mm (坩堝直徑對應(yīng)改變)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SQ-2與B粉混合質(zhì)量比對B粉燃燒效率的影響

對每組比例試樣至少需進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2%，取多次實(shí)驗(yàn)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此計(jì)算B粉燃燒效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示(文中B粉燃燒放熱量均為多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值)。

表1 混合質(zhì)量比對B粉燃燒效率的影響Table 1 Effect of mixed mass ratios on the combustion efficiency of B powder

從表1可知，當(dāng)SQ-2與B粉混合質(zhì)量比為4∶1時(shí)，B粉燃燒放熱量很低，主要因?yàn)镾Q-2用量過少，燃燒后釋放出的熱量不足以提供B粉燃燒時(shí)所需的持續(xù)高溫環(huán)境，對B粉助燃效果不明顯，導(dǎo)致B粉燃燒效率偏低。隨著SQ-2用量增加，助燃能力越來越強(qiáng)，SQ-2與B粉混合質(zhì)量比為10∶1時(shí)，B粉燃燒效率最大。當(dāng)SQ-2與B粉混合質(zhì)量比大于10∶1時(shí)，B粉燃燒效率反而呈下降趨勢，分析原因是此時(shí)SQ-2燃燒提供的高溫持續(xù)環(huán)境已基本能滿足B粉燃燒的需求，導(dǎo)致B粉燃燒效率下降的主要原因?yàn)殡S著SQ-2用量增加，燃燒生成的氣體量越大，促進(jìn)了B粉在氧彈中的流動(dòng)，更多的B粉被SQ-2的氣體產(chǎn)物吹離局部高溫中心，飛濺到溫度較低的氧彈壁面導(dǎo)致B粉燃燒終止。SQ-2用量增加的程度越高，B粉燃燒效率下降越多。由此可知，SQ-2的用量存在一個(gè)最佳值，從而對B粉的助燃效果最好，按照本文制樣方法得到的樣品，SQ-2與B粉的最佳混合質(zhì)量比為10∶1。

2.2 充氧壓強(qiáng)對B粉燃燒效率的影響

將SQ-2與B粉混合質(zhì)量比固定為10∶1，以此分析不同的充氧壓強(qiáng)對B粉燃燒效率的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 充氧壓強(qiáng)對B粉燃燒效率的影響Table 2 Effect of oxygenation pressure on the combustion efficiency of B powder

從表2可知，在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)，隨著充氧壓強(qiáng)的增加，B粉燃燒放熱量增加，燃燒效率提高。主要原因?yàn)檠鯊楏w積固定，充氧壓強(qiáng)的提高使得氧彈內(nèi)單位體積的氧氣濃度增加，B粉與氧氣接觸更加充分，表現(xiàn)為B粉燃燒效率提高。超過某一壓強(qiáng)后，繼續(xù)提高充氧壓強(qiáng)，B粉燃燒效率反而降低，分析認(rèn)為過量的氧氣會(huì)吸收環(huán)境中的熱量，使溫度降低，不利于B粉燃燒；此外，氧氣濃度越高，SQ-2燃燒速率加快，釋放出熱量提供的高溫持續(xù)時(shí)間越短，B粉還未來得及大量反應(yīng)，SQ-2就已燃燒結(jié)束，導(dǎo)致B粉燃燒效率變低；再者由于SQ-2快速燃燒，釋放的熱量來不及迅速分散至氧彈中，氧彈壁面的溫度較低，由于SQ-2迅速燃燒生成大量氣相產(chǎn)物，將未反應(yīng)的B粉吹濺至冷壁上，使B粉終止燃燒，繼而造成B粉反應(yīng)效率降低。

由此可知，存在一個(gè)最佳的充氧壓強(qiáng)，使B粉燃燒放熱量最大，結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為最佳充氧壓強(qiáng)為3 MPa。

2.3 坩堝位置對B粉燃燒效率的影響

三種不同位置的坩堝如圖1所示，分別將其命名為1、2、3氧彈。雖然影響B(tài)粉燃燒效率的因素有很多，但都可歸結(jié)為溫度和氧氣濃度的影響。SQ-2與B粉混合質(zhì)量比的不同，使得SQ-2為B粉燃燒提供的高溫環(huán)境有所差異。

圖1 不同坩堝位置的三種氧彈示意圖Fig.1 Schematic diagram of three oxygen bombs at different crucible positions

由于氧彈體積固定，充氧壓強(qiáng)的不同必然導(dǎo)致氧氣濃度的不同，因此對氧彈內(nèi)流場的數(shù)值模擬主要包括在不同條件下，氧彈內(nèi)的溫度分布及氧氣濃度分布兩方面的內(nèi)容。

取SQ-2與B粉混合質(zhì)量比為10∶1的樣品2.5 g，充氧壓強(qiáng)3 MPa，通過測量氧彈內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線可以得到樣品在氧彈內(nèi)燃燒時(shí)間為89 ms，故選取的時(shí)刻終點(diǎn)為89 ms，下文均是以該時(shí)刻點(diǎn)作為終點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬。

(1)氧彈內(nèi)溫度分布

圖2為三種坩堝位置條件下，氧彈內(nèi)5個(gè)時(shí)刻的溫度場分布圖，(1)、(2)、(3)分別對應(yīng)1、2、3氧彈。

從圖2可知，在燃燒初始階段，三種坩堝位置對應(yīng)的氧彈內(nèi)氧氣濃度分布情況大致相同，隨著SQ-2迅速燃燒，產(chǎn)生大量高溫燃?xì)庀蜊釄逋鈹U(kuò)散，當(dāng)燃燒至30 ms時(shí)，2、3氧彈中向上運(yùn)動(dòng)的高溫燃?xì)饬饔龅綋醢瀹a(chǎn)生回流，與繼續(xù)向上升的火焰接觸，形成溫度較低的條形區(qū)域，溫度為2800 ℃左右，但3氧彈溫度擴(kuò)散范圍比2氧彈更廣。1氧彈中的坩堝離擋板距離較遠(yuǎn)，上升的高溫燃?xì)鈦聿患芭c擋板發(fā)生碰撞就已參與燃燒，在靠近擋板的下方形成了一塊溫度分布均勻且完整的高溫區(qū)。當(dāng)燃燒至70 ms時(shí)，燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，2、3氧彈內(nèi)的高溫燃?xì)鈹U(kuò)散至擋板上方和坩堝周圍和下方，直至燃燒結(jié)束，坩堝上方的高溫區(qū)溫度分布仍不均勻。整個(gè)燃燒過程中，1氧彈內(nèi)高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，坩堝正上方保持近似條形的深藍(lán)色區(qū)域，溫度分布始終保持均勻狀態(tài)，高溫區(qū)域主要集中在擋板與坩堝間，擋板上方和坩堝下方?jīng)]有出現(xiàn)明顯的高溫分散區(qū)域。由于穩(wěn)定均勻的高溫環(huán)境是影響B(tài)粉燃燒效率的重要因素，因此從氧彈內(nèi)溫度分布的角度來看，1氧彈中的坩堝位置更有利于B粉燃燒。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖2 不同時(shí)刻氧彈內(nèi)溫度場分布圖Fig.2 Temperature distribution contours in the oxygen bomb at different times

(2)氧彈內(nèi)氧氣濃度分布

圖3為三種坩堝位置條件下，氧彈內(nèi)5個(gè)時(shí)刻的氧氣濃度分布圖。從圖3可以看出，當(dāng)燃燒進(jìn)行到50 ms時(shí)，三個(gè)氧彈內(nèi)坩堝上方均出現(xiàn)出現(xiàn)氧氣濃度明顯低于周圍的條形區(qū)域，1氧彈內(nèi)氧氣濃度為60%～70%，2氧彈氧氣濃度為15%～60%，3氧彈氧氣濃度為15%～60%。隨著B粉持續(xù)燃燒，氧氣被消耗，低氧濃度區(qū)域逐漸擴(kuò)大。對比可知，當(dāng)燃燒至70 ms時(shí)，1氧彈才出現(xiàn)明顯的低氧濃度(深藍(lán)色)區(qū)域，相比2與3氧彈出現(xiàn)的時(shí)間(30 ms)更晚；當(dāng)燃燒至結(jié)束時(shí)刻89 ms，1氧彈內(nèi)的藍(lán)色范圍最小，氧氣濃度為15%～40%，2氧彈內(nèi)深藍(lán)色區(qū)域最大，氧氣濃度為15%～35%，3氧彈的藍(lán)色范圍最大，氧氣濃度為15%～30%。因此，從氧氣濃度分布角度來看，最有利于B粉燃燒的坩堝位置為1氧彈。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖3 不同時(shí)刻氧彈內(nèi)氧氣濃度分布圖Fig.3 Oxygen concentration distribution contour in the oxygen bomb at different times

結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，對三種不同位置的坩堝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果如表3所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，最有利于B粉燃燒的為1坩堝。由于離擋板位置越遠(yuǎn)，受回流氣體影響的程度越小，高溫區(qū)域越均勻；擋板和坩堝作為屏障將氧彈內(nèi)部空間分為三個(gè)部分，第一部分坩堝下方至氧彈底部，第二部分坩堝至擋板中間的位置，第三部分為擋板上方至氧彈頂部，第三部分的空間大小無法改變，坩堝位置離擋板越遠(yuǎn)，第二部分的空間越大，有利于更多氧氣流至該部分，由于B粉多集中在此區(qū)域燃燒，故充足的氧氣濃度可提高B粉的燃燒效率。

表3 坩堝位置對B粉燃燒效率的影響Table 3 The influence of crucible position on the combustion efficiency of B powder

2.4 坩堝大小對B粉燃燒效率的影響

三種不同大小的坩堝如圖4所示，坩堝高度5、10、15 mm分別對應(yīng)1、2、3氧彈。

圖4 不同坩堝大小對應(yīng)的三種氧彈示意圖Fig.4 Schematic diagram of three oxygen bombs corresponding to different crucible sizes

當(dāng)坩堝大小不同時(shí)，氧彈內(nèi)的溫度分布及氧氣濃度分布如下。

(1)氧彈內(nèi)溫度分布

圖5為三種不同大小坩堝條件下，氧彈內(nèi)5個(gè)時(shí)刻的溫度場分布圖，(1)、(2)、(3)分別對應(yīng)1、2、3氧彈。從圖5可以看出，燃燒至30 ms之前，1、2氧彈內(nèi)的溫度分布隨時(shí)間變化的趨勢大致相同。3氧彈中火焰首先出現(xiàn)在坩堝上方氣流邊緣附近，當(dāng)燃燒至30 ms，火焰達(dá)到擋板處并產(chǎn)生回流。燃燒至50 ms以后，隨著燃燒持續(xù)進(jìn)行，氧彈中高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)散，1氧彈擴(kuò)散范圍較小，3比2氧彈擴(kuò)散范圍更廣，分析原因?yàn)?坩堝側(cè)壁離氧彈內(nèi)壁的距離較大，同時(shí)坩堝口的尺寸小于擋板的尺寸，導(dǎo)致燃?xì)鈹U(kuò)散范圍更大。燃燒至10 ms時(shí)，1氧彈中沒有出現(xiàn)氣流遇到擋板的回流現(xiàn)象，當(dāng)燃燒至30 ms和50 ms時(shí)，火焰只擴(kuò)散至坩堝壁附近，沒有向坩堝下方和擋板上方擴(kuò)散。因此，從溫度分布來看，1氧彈的高溫區(qū)域更加集中，為B粉燃燒提供了更有利的條件。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖5 不同大小坩堝氧彈內(nèi)溫度場分布圖Fig.5 Temperature field distribution contour in different sizes of crucible oxygen bombs

(2)氧彈內(nèi)氧氣濃度分布

圖6為三種不同大小坩堝條件下，氧彈內(nèi)5個(gè)時(shí)刻的氧氣濃度分布圖。從圖6可以看出，燃燒至50 ms之前，1、2氧彈氧氣濃度隨時(shí)間變化規(guī)律大致相同，SQ-2熱解產(chǎn)物在坩堝上方持續(xù)燃燒，坩堝至擋板之間的氧氣逐漸被消耗，而3氧彈在燃燒時(shí)間至10 ms時(shí)，就已開始出現(xiàn)低氧濃度的深藍(lán)色區(qū)域，三種氧彈內(nèi)氧氣被明顯消耗的區(qū)域大致相同。50 ms之后，1氧彈內(nèi)氧氣被明顯消耗的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直至燃燒結(jié)束。2氧彈內(nèi)氧氣被明顯消耗的區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移至坩堝邊緣上方，當(dāng)燃燒至89 ms時(shí)，深藍(lán)色區(qū)域轉(zhuǎn)移至坩堝上方氧彈內(nèi)壁處。3氧彈內(nèi)氧氣被明顯消耗的區(qū)域發(fā)展至擋板下方，當(dāng)燃燒時(shí)間在70 ms時(shí)，深藍(lán)色區(qū)域變大，隨后逐漸轉(zhuǎn)移至坩堝上方氧彈內(nèi)壁處。在燃燒結(jié)束時(shí)刻，1、2氧彈內(nèi)坩堝下方的氧氣消耗不明顯，3氧彈內(nèi)坩堝下方氧氣濃度減小。通過對比可知，坩堝上方氧氣濃度變化梯度最小的為1氧彈，且1氧彈內(nèi)坩堝附近的低氧濃度區(qū)域相比2、3氧彈小，充足的氧氣有利于提高B粉的燃燒效率，故認(rèn)為1氧彈更能為B粉燃燒提供良好的燃燒環(huán)境。

同樣，采用三種不同大小的坩堝進(jìn)行B粉燃燒放熱量測試，結(jié)果如表4所示。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖6 不同大小坩堝氧彈內(nèi)氧氣濃度場分布圖Fig.6 Oxygen concentration field distribution contour in oxygen bombs of different sizes

表4 坩堝大小對B粉燃燒效率的影響Table 4 The influence of crucible size on the combustion efficiency of B powder

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，選用1坩堝B粉燃燒效率更大。主要原因分析如下，由于1坩堝口寬、高度低，增加了坩堝上方與擋板下方的流動(dòng)空間，氧氣流動(dòng)區(qū)域更大，更有利于B粉燃燒；其次坩堝口的面積大于擋板面積，使得擋板對氣流的阻礙作用減小，燃?xì)饪梢詮膿醢宓倪吘壗?jīng)過，降低回流氣流對B粉燃燒的影響。

2.5 有無擋板對B粉燃燒效率的影響

氧彈內(nèi)的擋板又稱擋火板，是阻止燃燒火焰和產(chǎn)物對進(jìn)氣口造成影響的部件。對于普通燃料，擋板對燃燒過程及測試結(jié)果的影響較小，但由于B粉在燃燒過程中，SQ-2生成的氣體產(chǎn)物擴(kuò)散面積大，能將B粉攜帶至坩堝上方，若B粉在運(yùn)動(dòng)的過程中遇到熱的不良導(dǎo)體，如坩堝支架和擋板，將會(huì)熄火使B粉終止燃燒，從而降低B粉的燃燒效率。擋板的存在改變了氧彈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變了氧氣及燃?xì)庠谘鯊椫械牧鲃?dòng)狀況。為了分析擋板的存在是否會(huì)對B粉燃燒過程造成影響，對氧彈中的氧氣濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，將無擋板的氧彈命名為1氧彈，有擋板的氧彈命名為2氧彈。1、2氧彈在不同時(shí)刻的氧氣濃度分布如圖7所示。

(a)1# oxygen bomb without flame shield

對比圖7(a)、(b)可知，當(dāng)燃燒進(jìn)行到10 ms時(shí)，1和2氧彈內(nèi)氧氣濃度分布沒有差別。在30 ms時(shí)，兩種氧彈中的氧氣均被嚴(yán)重消耗，氧氣濃度為20%～70% ，但2氧彈內(nèi)氧氣濃度梯度更大，且深藍(lán)色區(qū)域范圍更大(低氧氣濃度)。隨著燃燒繼續(xù)進(jìn)行，2氧彈的深藍(lán)色區(qū)域越來越大，1氧彈的深藍(lán)色區(qū)域變化很小，說明1氧彈的氧氣流動(dòng)性更好，氧氣可以迅速擴(kuò)散至被消耗了的低氧濃度區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)充，使得氧彈內(nèi)氧氣濃度分布相對均勻。

使用有無擋板的兩種坩堝支架分別進(jìn)行B粉燃燒放熱量測試，坩堝位置為2.3節(jié)中1坩堝位置，坩堝大小為2.4節(jié)中1坩堝大小，測試結(jié)果如表5所示。

表5 有無擋板對B粉燃燒效率的影響Table 5 The combustion efficiency of B powder with and without the flame shield

從表5可知，無擋板時(shí)B粉燃燒放熱量更大，氧彈內(nèi)環(huán)境更有利于提高B粉燃燒效率。結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，分析原因是擋板的存在會(huì)阻礙坩堝上方至氧彈頂部空間的氧氣流動(dòng)，當(dāng)坩堝上方氧氣被消耗時(shí)，由于氧氣擴(kuò)散不均勻，坩堝上方與擋板下方存在大范圍的低氧濃度區(qū)域，這對B粉燃燒是不利的，從而導(dǎo)致在有擋板的情況下，實(shí)際測得的B粉燃燒效率相比無擋板偏低。

3 結(jié)論

(1)SQ-2用量過多或過少，都無法實(shí)現(xiàn)對B粉的有效助燃。SQ-2與B粉的混合質(zhì)量比太小，SQ-2燃燒釋放的熱量太少，助燃效果不明顯；混合質(zhì)量比過大，大量燃?xì)饧觿粒子的流動(dòng)，冷壁效應(yīng)反而降低B粉的燃燒效率。當(dāng)SQ-2與B粉的混合質(zhì)量比為10∶1時(shí)，B粉燃燒效率相對最高。

(2)在一定壓強(qiáng)區(qū)間內(nèi)，隨著充氧壓強(qiáng)的增加，B粉燃燒效率提高；當(dāng)充氧壓強(qiáng)超過一定范圍時(shí)，由于過量氧氣會(huì)吸收部分熱量使環(huán)境溫度降低，同時(shí)提高SQ-2燃燒速率，縮短高溫環(huán)境的持續(xù)時(shí)間，反而不利于B粉燃燒。當(dāng)充氧壓強(qiáng)取為3 MPa，B粉燃燒效率相對最高。

(3)減小坩堝與氧彈底部的距離，有利于氧彈內(nèi)氧氣的流動(dòng)；選擇內(nèi)徑大，高度低的坩堝，SQ-2燃燒產(chǎn)物的出口面積最大，可減小上升氣流與氧彈內(nèi)壁的碰撞，從而減少回流氣體對B粉燃燒的影響；擋火板的存在會(huì)阻礙SQ-2燃燒后高溫氣流的擴(kuò)散，同時(shí)也會(huì)阻礙坩堝上方氧氣的流動(dòng)，導(dǎo)致B粉燃燒效率降低。因此，選擇內(nèi)徑大、高度低的坩堝(內(nèi)徑17 mm，高5 mm)，并減小坩堝與氧彈底部的距離(距離10 mm)，同時(shí)選用不含擋板的坩堝支架，可以提高B粉在氧彈中的燃燒效率，其燃燒效率可達(dá)99.36%。