镁基高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧机理研究

水冲压发动机是一种高能量密度的水下推进系统，然而，当水反应金属燃料中金属含量达到80%甚至更高时，该燃料将难以依靠自身携带的氧化剂自维持燃烧，使发动机性能无法达到理论设计水平。本研究拟以实验为主，结合理论分析与数值模拟，探讨高温水蒸气环境下镁基高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧机理。开展镁基高金属含量水反应金属燃料的热分解特性分析，获得燃料热分解反应动力学参数，分析燃料在不同温度下凝聚相热分解反应产物的组成，获得燃料凝聚相热分解反应历程。通过带有透明窗口的燃烧实验装置，开展镁基高金属含量水反应金属燃料燃烧火焰结构，燃烧波结构及燃速特性实验研究，获得气相产物及凝聚相产物的主要成分及其相对含量。合理推断镁基高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧过程，建立其稳态燃烧模型，对比分析温度分布、燃料燃速等参数的实验结果和数值模拟结果，修正完善燃料稳态燃烧模型，并提出合理的持续稳定燃烧措施。

提出并建立了水反应金属燃料燃烧机理实验研究方法，采用蒸汽发生器提供高压水蒸气环境，开展水反应金属燃料与水反应机理研究；设计了可进行燃烧现象观察和参数测量的开窗式燃烧器，建成了水冲压发动机燃烧机理研究实验系统，可扩展用于多种燃料在不同环境下的燃烧过程研究。. 采用DSC、TG-DTA等热分析方法，研究了金属镁含量分别为60%和73%的镁基水反应金属燃料（简称60型、73型镁基燃料）的热分解历程。研究发现，两种燃料的热分解过程均由其组分的热分解叠加而成；73型镁基燃料中氧化剂AP的分解峰温相对提前。. 开展了60型镁基燃料在氩气和水蒸气环境下的稳态燃烧实验研究。研究表明，60型镁基燃料燃烧时，燃面温度高于金属镁的熔点，镁液滴在燃面着火并进入气相燃烧；与氩气环境下的自维持燃烧相比，水蒸气环境下稳态燃烧的火焰亮度增加，凝相燃烧产物中的氧化镁含量增加，单质镁含量减少。分析了宏观因素对燃料稳态燃烧特性的影响规律，结果表明，工作压强升高、水蒸气浓度增加和环境温度的升高有利于提高燃料燃面温度和燃速。. 开展了73型镁基燃料在氩气和水蒸气环境下的稳态燃烧实验研究。研究表明，73型镁基燃料燃烧时，燃面温度高于金属镁的熔点，熔化的镁液滴粘附在燃料热解后的碳骨架上，基本上不进入气相。与自维持燃烧相比，水蒸气氛围下稳态燃烧的火焰亮度和火焰高度增加，凝相燃烧产物中镁颗粒破损程度加剧，氧化镁含量增加，单质镁含量减少。分析了宏观因素对73型镁基燃料燃料稳态燃烧特性的影响规律，结果表明，稳态燃烧燃面温度和燃速随着工作压强、水蒸气浓度和环境温度的升高而增大。.　　考虑了燃料与一次进水之间的耦合燃烧对发动机燃烧过程的影响，建立了高金属含量镁基燃料水冲压发动机稳态燃烧与流动数值计算模型，并通过发动机实验数据验证了模型的正确性。系统研究了燃面退移、一次进水水燃比、一次进水角度、一次进水雾化粒径及喷射速度等参数对水冲压发动机稳态燃烧特性的影响，获得了燃面温度和燃速随一次进水参数变化规律，提出了有利于改善水冲压发动机工作性能和维持高金属含量镁基燃料水冲压发动机稳定燃烧的工作方式。