高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型①

2011-08-31夏智勋胡建新黄利亚张兴高方丁酉

固体火箭技术 2011年5期

韩超，夏智勋，胡建新，黄利亚，张兴高，方丁酉

(1.国防科技大学航天与材料工程学院，长沙 410073;2.防化研究院，北京 102205)

0 引言

水冲压发动机采用水反应金属燃料和海水反应，由于不需携带大量氧化剂，发动机性能远高于常规固体火箭发动机，是超高速鱼雷的首选推进系统，已成为国内外研究热点［1－4］。开展水冲压发动机稳态燃烧机理研究，对充分了解水冲压发动机工作过程，实现发动机稳定高效工作具有重要意义。

李是良［5］对镁基水反应金属燃料一次燃烧机理进行了探索，认为镁颗粒在一次燃烧过程中作为热沉惰性吸热，后随热解气体进入气相进行相变和氧化反应;其研究结果对了解水反应金属燃料一次燃烧过程具有重要参考价值。然而，鉴于水冲压发动机特殊的工作方式，仅了解燃料的一次燃烧过程是不够的，尤其是随着燃料中金属含量的提高，燃料仅靠自身携带的氧化剂将无法自维持燃烧，环境中氧化剂(特指水)的存在有可能彻底改变水反应金属燃料的燃烧过程和机理。目前，国内外尚没有关于水反应金属燃料在水蒸气环境下燃烧的相关研究报道。

本文针对金属镁含量超过70%的镁基水反应金属燃料，以燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧试验为基础，通过对稳态燃烧过程进行分析，建立了镁基高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型，为深入开展高金属含量水冲压发动机稳态燃烧机理研究提供参考。

1 试验基础

为详细了解镁基水反应金属燃料的稳态燃烧过程，在自行搭建的试验台上分别进行了氩气和水蒸气环境下的燃烧试验，试验装置如图1所示。试验器为圆柱筒形，侧面有2个透明的石英玻璃观察窗，可对燃烧过程进行录像和火焰拍摄;燃料样品放置在底座上，为保证拍摄的清晰度，引入氩气作为吹除气体，对燃烧过程产生的浓烟进行吹除。试验所用水反应金属燃料样品尺寸为6 mm×6 mm×70 mm，燃料侧面包覆阻燃剂。试验时，在燃烧器中预先充填一定压力的氩气或水蒸气，采用直径0.15 mm的镍铬合金丝点燃样品、0.5 mm K型热电偶测量燃料燃烧波。

图1 试验器Fig.1 Experiment device

试验测得工作压强为2.0 MPa时，氩气和水蒸气环境下燃料稳态燃烧时的燃面温度分别为785.1℃和900.1℃(高于镁颗粒熔点650℃)，气相平衡火焰温度分别为1 085.2℃和1 214.9℃。说明镁颗粒在燃面处熔化，并与气相中的水蒸气发生了燃烧反应，引起气相放热量的增加，火焰温度升高。

图2给出了氩气和水蒸气环境下拍摄到的燃烧火焰，为便于比较，给出了含铝复合推进剂的燃烧火焰［5］。从图2可看出，镁基水反应金属燃料燃烧时，火焰区紧贴燃面，火焰明亮，没有颗粒燃烧形成的火星或轨迹;此外，水蒸气氛围下的火焰与氩气氛围下的火焰相比，火焰高度增加，亮度增大;进一步表明镁颗粒在燃面附近与水蒸气发生剧烈的放热反应，引起反应区加长，放热量增加。

图2 火焰图片Fig.2 Photos of combustion flame

根据上述试验结果，可得以下结论:(1)燃料中的镁颗粒在燃面熔化，且绝大部分没有进入气相;(2)液态镁与下游扩散来的水蒸气在燃面附近发生剧烈的放热反应。这将作为下一步建立模型的基础。

2 物理模型

根据前述试验结果，推断镁基水反应金属燃料稳态燃烧过程如下:在点火热源的作用下，固体燃料吸热升温，在达到AP、HTPB的热解温度之前，燃料本身不发生化学变化，属于惰性吸热;随着温度的升高，燃料中的AP、HTPB开始发生热分解反应，凝相放热量增加，升温速率增大，热解气体产物之间进行氧化放热反应，并向外扩散;随燃料温度继续升高，并达到镁颗粒的熔点，燃料中的镁颗粒开始熔化;由于镁含量较高，分布较密集，可能出现小颗粒之间的凝聚，形成尺寸较大的液滴;镁液滴与AP热解气体中的氧化性成分反应放热;由于燃料中AP、HTPB含量较低，产生的热解气体量少，镁液滴大部分仍停留在燃面，没有被带入气相;此时，下游水蒸气扩散到燃面附近，与高温镁液滴发生剧烈的氧化反应，并放出大量的热量;镁与水蒸气燃烧产生高温氢气，带动固相产物氧化镁向下游运动。

根据上述分析，将镁基水反应金属燃料的稳态燃烧过程分为3个区:惰性加热区、凝相反应区和气相反应区。在惰性加热区，各组分吸热升温，不发生化学反应;凝相反应区主要发生AP、HTPB的热分解反应，以及镁颗粒吸热熔化蒸发;气相反应区包括AP、HTPB热解产物之间的反应及镁的氧化反应。借鉴BDP模型，考虑燃料中各组分含量，推测燃面附近气相火焰结构由4部分组成:由AP热解氧化性产物与HTPB热解产物形成的扩散火焰;由AP热解氧化性产物与Mg蒸气形成的扩散火焰;由AP热解产物NH3和HClO4形成的AP预混火焰;由Mg蒸气与扩散到燃面附近的H2O形成的扩散火焰，如图3所示。

图3 物理模型Fig.3 Physical model

镁基水反应金属燃料的稳态燃烧过程包括凝相反应和气相反应，凝相反应速率相比于气相反应速率来说要小得多。因此，燃速主要由凝相反应过程决定［6］。如上所述，凝相反应过程包括AP、HTPB热分解和镁颗粒吸热熔化、蒸发，由于燃料中镁的含量远高于AP、HTPB，且其熔点(650℃)也高于AP、HTPB热分解温度(约200℃)。因此，燃速主要决定于燃料中镁颗粒的熔化、蒸发过程。水蒸气扩散到燃面与镁进行剧烈的放热反应，使得气相火焰温度升高，对燃面的热反馈增加，通过影响镁的熔化蒸发进一步影响燃速。

3 数学模型

为推导理论燃速公式，进行如下假设:

(1)燃烧过程是一维准定常的;

(2)凝相反应过程尤其是镁颗粒的熔化蒸发过程控制燃速;

(3)气相反应为简单的均相反应;

(4)产物为完全气体;

(5)忽略辐射传热。

3.1 理论燃速公式

根据燃面质量平衡关系式:

假设各组分质量燃速之比等于其在燃料中的质量比［7］，则燃料的质量燃速可表示为

图4为一个Mg-HTPB-AP燃烧单元，a、b1、b2分别为燃烧单元中AP、HTPB、Mg的外缘距中心的距离。

图4 Mg-HTPB-AP燃烧单元Fig.4 Combustion cell of Mg-HTPB-AP

假设燃面为平面熔化液层，则液态镁燃烧面积与燃料总燃烧面积的比为

燃料质量燃速可表示为

其中，b1、b2可通过组分质量分数求得［9］。

3.2 镁蒸发速率

镁基水反应金属燃料燃烧时，镁颗粒在燃面熔化，由于燃料中镁含量较高，相邻的熔融液滴之间相互接触、熔合，在燃面上形成连续的熔融层。燃面上液态镁的蒸发燃烧模型如图5所示，其中，Tfoam为熔融层起始温度;Ts为燃面温度;Tf为气相平衡火焰温度;Xs为熔融层厚度;Xf为火焰高度。液态镁的蒸发速率可参考液滴在静止环境中的蒸发燃烧速率公式进行推导［8］:

式中 λg、cpg分别为气相热导率和比定压热容;cpl、L分别为液态镁的比定压热容和气化潜热;T∞、YOX，∞分别为无穷远处环境温度和氧化剂浓度;QF为镁的燃烧热;β为燃烧反应当量比。

3.3 燃面温度

根据能量守恒，燃面热平衡方程可表示如下:

各值的求解可参考文献［9］。由式(7)可求得燃面温度:

综合式(4)、式(5)、式(8)，即可求得理论燃速。

图5 液态镁蒸发燃烧模型Fig.5 Vaporization model of liquid magnesium

4 模型验证与讨论

采用上述模型对试验工况进行计算，计算结果与试验结果列在表1中。从表1可看出，采用本文模型计算的结果与试验结果吻合较好，可用来模拟镁基高金属含量水反应金属燃料的稳态燃烧过程。

表1 试验结果与模型计算结果比较Table 1 Comparision between results of experiment and calculation

在燃料组分一定时，影响燃速的因素主要有环境压强和环境中水蒸气浓度。下面对这2种因素的影响进行简要分析:

(1)环境压强

图6所示为对燃料基础配方进行计算所得到的燃速随压强变化曲线。从图6可看出，燃速随环境压强的升高而增大，这与以往的结论一致［10］。图7所示为各火焰对燃面的热反馈随压强变化曲线。4个火焰热反馈中，Mg/H2O扩散火焰对燃面的热反馈(Q-H2O)随压强的升高变化不大;AP/Mg扩散火焰对燃面的热反馈(Q-Mg)随压强的升高而减少;AP/HTPB扩散火焰对燃面的热反馈(Q-HTPB)随压强增加而增加;AP火焰对燃面的热反馈(Q-AP)随压强增加变化不大。

图6 燃速随环境压强变化Fig.6 Change of burning rate with the ambient pressure

图7 火焰热反馈随环境压强变化Fig.7 Change of flame thermal feedback with the ambient pressure

由于Mg/H2O扩散火焰高度受压强影响较小，因此热反馈变化不大;AP/Mg扩散火焰高度随压强的升高略有降低，但由于总的质量流量增加，导致无量纲火焰高度增加，因此热反馈减少;AP/HTPB扩散火焰高度随压强升高降低幅度大于AP/Mg扩散火焰，故热反馈增加。

图7显示，在4个火焰热反馈中，Mg/H2O扩散火焰对燃面的热反馈远大于其余3个火焰的热反馈，也就是Mg和水蒸气的燃烧在整个燃烧过程中占有重要的地位，对燃料燃速具有决定性的影响。因此，改善水反应金属燃料燃烧应从强化Mg/H2O反应着手。此外，AP/Mg扩散火焰对燃面的作用也很重要，应就是燃料自维持燃烧的主要能量来源。相对来说，AP火焰对燃面的热反馈(Q-AP)近似等于零，几乎可忽略。

(2)水蒸气浓度

图8为燃速随环境中水蒸气浓度的变化曲线，燃速随环境中水蒸气浓度的增加而增大，且水蒸气浓度越大，趋势越明显;图9为火焰对燃面的热反馈随环境中水蒸气浓度的变化曲线。Mg/H2O扩散火焰热反馈(Q-H2O)随环境中水蒸气浓度增加而增大，AP/Mg扩散火焰和AP/HTPB扩散火焰热反馈(Q-Mg、Q-HTPB)随水蒸气浓度增加而减小，AP火焰热反馈(Q-AP)接近于零且变化不大。