基于高温燃烧质点效应的烟火药燃烧反应模型

本项目解决烟火药只能依靠实验和经验实现应用，而无法通过材料性质预测烟火药燃烧性能的基本问题。烟火药是由氧化剂、可燃剂、粘合剂和功能添加剂经机械混合而成的多孔介质，与其它含能材料相比，燃烧时具有高密度热点效应，因此本研究拟从高温燃烧质点效应的角度来研究烟火药的燃烧机理。.主要研究内容为：基于间歇性高压空气射流取样法得到烟火药爆燃火焰中各区域的燃烧粒子粒度和浓度，结合温度场绘制火焰结构图，分析出高温燃烧质点的燃烧特性与运动轨迹；从界面间微尺度燃烧反应机理出发，实验研究高温燃烧质点燃烧时裂解、粒度、温度场变化过程，并得到原材料粒度对燃烧反应速度的影响程度；以材料的比表面积、物理化学性质为参量建立高温燃烧质点的传质、传热方程，以及裂解系数函数、反应系数函数方程，基于界面间微尺度传质传热机理，建立具有球面燃烧波面特征的高温燃烧质点燃烧反应模型，进而得到以高温燃烧质点为核心的烟火药燃烧反应模型。

烟火药已经被研究和使用近千年，至今，不得不承认在任意介质中的快速反应研究仍处在起步阶段，烟火药的点火、燃烧、烟火效应机理等实验和理论方面需要更深层次的研究。针对烟火药是将粉剂材料通过机械混合而成，燃烧反应的点火、传播与火焰不可避免地存在大量燃烧颗粒的特点，提出了以高温燃烧质点（包括有单质颗粒和复合颗粒）作为离散反应单元的烟火药燃烧反应模型。研究确定有两个核心：一是高温燃烧质点的点火与燃烧机理，以原材料颗粒粒度、材料性质、配比、添加剂等参数对点火与燃烧反应的影响为基础展开研究；二是以高温燃烧质点为基础研究火焰结构，研究包括高温燃烧质点轨迹追踪、数量分布、速度分布、火焰流场，以及高温燃烧质点浓度分布对火焰温度场的影响。微观上以高温燃烧质点作为燃烧反应的最基本单元展现了烟火药燃烧反应内在机理，宏观上以高温燃烧质点的浓度效应展现了烟火药燃烧反应火焰结构与流场，进而勾绘出以高温燃烧质点为核心的烟火药燃烧反应模型。