镁颗粒点火与燃烧过程中表面氧化物作用机理研究

Due to the overall advantages of energy density, ignition and combustion performance, magnesium is widely adopted in propulsion systems such as water ramjets, powdered fuel ramjets and solid fuel scramjets. Although the combustion of magnesium particles is similar to the droplet evaporation and combustion of hydrocarbon fuel, it is much more complicated as there is surface-oxide on the particles, the physical and chemical changes of which has not been clearly determined yet. In this project, the interaction mechanism of the surface-oxide in the ignition and combustion processes of magnesium particles is to be studied. With advanced optical instruments, an ignition and combustion experimental approach for surface-oxide observation of a single metal particle will be established, and experiments under different conditions will be conducted. The spliting process during the ignition and the agglomerating process during the combustion will be studied, and the influences of factors of environmental pressures, temperatures, external flow and oxidant concentration etc. will be investigated. Taking surface-oxide into account, an ignition and combustion model of a single magnesium particle and its numerical simulation method will be constructed. With this model, the controlling mechanism during the ignition and combustion of the magnesium particle will be analyzed, and methods to advance the ignition and combustion will be explored, which would provide a foundation for research on combustion of magnesium particles inside the engines using magnesium-based fuels.

镁以其在能量密度、点火和燃烧性能方面的综合优势，在水冲压发动机、粉末燃料冲压发动机和固体燃料超燃冲压发动机等推进装置中具有广泛应用前景。镁颗粒的燃烧类似于碳氢燃料的液滴蒸发燃烧，但镁颗粒表面氧化物的存在使得镁颗粒的点火与燃烧过程复杂得多，而对于表面氧化物物理化学变化过程的很多细节还不清楚。本项目以镁颗粒为研究对象，开展表面氧化物对镁颗粒点火与燃烧过程作用机理研究。采用先进光学测试技术，建立基于表面氧化物观测的金属颗粒点火与燃烧试验研究方法，开展不同工况条件下镁颗粒点火与燃烧试验；研究环境压强、温度、外部气流剪切、氧化剂种类与浓度、颗粒赋存形态等因素对镁颗粒点火表面氧化物层消退过程，及燃烧表面氧化物沉积过程的影响；建立考虑表面氧化物作用的镁颗粒点火与燃烧模型及数值仿真方法，分析镁颗粒点火与燃烧过程控制机制，探讨有效促进镁颗粒快速点火与燃烧的方法，为研究镁颗粒在发动机中的点火与燃烧过程奠定基础。

镁基金属燃料的能量主要是通过燃气流中镁颗粒的燃烧释放出来，而金属镁在二氧化碳和水蒸气中的燃烧性能在很大程度上影响着发动机的性能，因此研究镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中点火燃烧特性可以为推进剂高效燃烧提供理论依据和技术指导。..在总结国内外金属颗粒点火燃烧试验研究基础之上，设计并改进了镁颗粒点火燃烧试验系统。采用高能氙灯辐射点火系统、高速摄影仪、微距镜头、红外测温仪、光谱仪、极细钨铼热电偶等装置得到了颗粒点火燃烧过程中镁颗粒表面的细节变化和火焰特征以及颗粒温度变化历程，获得了颗粒燃烧时的光谱信息，确定了燃烧阶段的主要气相组分。探究了环境压强对镁颗粒点火和燃烧过程的影响，分析了燃烧产物的结构和成份。..开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒着火过程的理论和试验研究。从能量和受力两个角度分析了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气气体氛围中的点火过程，综合镁颗粒能量平衡和氧化层受力关系，建立了镁颗粒点火模型。进行了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中的着火试验，观察到了着火前颗粒表面形态变化，结合理论探索了其着火机理，获得了镁颗粒的着火温度。采用数值计算方法，开展了颗粒粒径和环境温度对点火延迟时间影响的研究。.开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒燃烧过程的理论和试验研究。以颗粒内部金属表面、氧化层外表面、火焰面和环境无穷远为边界，将颗粒周围空间划分为三个区域，根据颗粒氧化层尺寸和火焰尺寸之间的关系，将颗粒燃烧过程划分为两个阶段，同时考虑气相燃烧反应和颗粒表面多相化学反应，建立了镁颗粒三分区燃烧模型。进行了镁颗粒在水蒸气中的燃烧试验，观察到了燃烧过程中氧化镁在颗粒表面凝结现象和气相燃烧火焰特征，分析了燃烧产物的物理结构特征。通过数值计算，分析了环境温度等对颗粒燃烧的影响。