鋁顆粒燃燒實驗及理論研究綜述

田入園，張領(lǐng)科

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京　210094)

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鋁顆粒燃燒實驗及理論研究綜述

田入園，張領(lǐng)科

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京210094)

摘要：為了對Al顆粒燃燒特性有全面認識，分析了鋁顆粒燃燒的實驗與理論研究成果。根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)得出了鋁顆粒在不同條件下燃燒時間分布情況圖。闡述了鋁顆粒燃燒模型的發(fā)展所經(jīng)歷的Dn模型、Law模型、L-B模型和詳細化學(xué)動力反應(yīng)模型的適用性和優(yōu)缺點，指出了深化鋁顆粒燃燒機理的描述對模型改進的作用；為了更好描述Al顆粒在火箭發(fā)動機內(nèi)的燃燒特性，提出了鋁顆粒燃燒模型的改進方向以及未來的研究重點。

關(guān)鍵詞：含能材料；固體推進劑；金屬燃燒；鋁顆粒；燃燒模型

本文引用格式：田入園，張領(lǐng)科.鋁顆粒燃燒實驗及理論研究綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(7):137-143.

Citation format:TIAN Ru-yuan, ZHANG Ling-ke.Literature Review of Single Aluminum Combustion Model and Theoretical Research[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):137-143.

金屬Al顆粒是復(fù)合推進劑的基本組分之一[1]，其主要作用包括：① 抑制推進劑燃燒振蕩，使燃燒平穩(wěn)；② Al顆粒與氧化劑反應(yīng)放出大量熱量，提高推進劑的暴熱和比沖；③ Al2O3的氣化熱較高，當其凝聚時，就會放出氣化熱，進一步增加能量[2]。同時，Al顆粒燃燒特性對火箭發(fā)動機的效率有著重要的影響，主要原因是鋁顆粒在復(fù)合固體推進劑的燃燒過程存在熔化、碰撞、凝聚的過程，從而影響火箭發(fā)動機燃氣的流動特性。除此之外，含鋁推進劑燃燒后，殘渣的主要成分是α-Al2O3、未燃Al顆粒及炭黑，鋁的燃燒效率是評價推進劑燃燒性能的重要參數(shù)之一[3]。因此，研究Al顆粒在火箭發(fā)動機環(huán)境中的燃燒特性是重要的基礎(chǔ)課題之一，對于詳細描述Al顆粒在復(fù)合推進劑表面燃燒凝聚特性，深入理解火箭發(fā)動機內(nèi)Al-Al2O3顆粒隨機碰撞-凝聚過程和兩相流特性，進一步揭示凝聚顆粒在噴管內(nèi)的沉淀規(guī)律有著重要的意義。

國內(nèi)外對鋁顆粒的燃燒已開展了廣泛的實驗和理論研究，取得了許多顯著性的研究成果。最初在推進劑中使用的是非球形鋁顆粒，但因球型鋁顆粒具有形狀規(guī)整，表面氧化膜Al2O3薄、活性鋁含量高等優(yōu)點，近年來出現(xiàn)以球形鋁顆粒取代非球形鋁顆粒的趨勢；鑒于納米鋁顆粒具有燃速快的特點，也成為重要研究方向。鑒于當前復(fù)合固體推進劑中主要采用微米級Al顆粒，本文重點概述微米級鋁顆粒燃燒的實驗和理論研究成果，主要包括鋁顆粒燃燒機理、燃燒模型的發(fā)展和環(huán)境因素對鋁顆粒燃燒特性的影響，對揭示鋁顆粒在固體火箭發(fā)動機中燃燒、碰撞、聚合與分裂過程的研究提供基礎(chǔ)模型。

1環(huán)境對單顆粒鋁燃燒影響的實驗研究

Bucher等[4]利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)確定了在大氣壓條件下，鋁顆粒分別在CO2、N2O、CO和21% O2、79% N2與21% O2、79% Ar的混合物氣體中燃燒時的鋁顆粒周圍的氣體組分分數(shù)，明確指出在所有測試環(huán)境中AlO都是作為主要的氣相中間產(chǎn)物。Badiola C等[5]通過二氧化碳激光點火實驗研究了粒徑為10～14 μm之間的鋁顆粒的燃燒情況，通過觀測鋁顆粒在不同氧氣濃度中燃燒時的火焰溫度以及在顆粒周圍所產(chǎn)生AlO質(zhì)量分數(shù)的變化情況，把鋁顆粒燃燒分為3個階段：① 鋁顆粒自發(fā)熱形成氣相火焰；其特點是時間短，AlO質(zhì)量分數(shù)隨著火焰溫度增加而快速增加；② 當火焰溫度升高至3 000 K以上，AlO質(zhì)量分數(shù)趨于恒定，其特點是反應(yīng)機理為控制蒸發(fā)相燃燒；③ 隨著火焰溫度的降低， AlO質(zhì)量分數(shù)減少，其特點是氣相火焰逐漸靠近顆粒表面，反應(yīng)機理繼續(xù)控制表面氧化反應(yīng)。因此，在富氧環(huán)境中，特別是固體火箭發(fā)動機工作環(huán)境中都必須考慮AlO對其燃燒性能的影響。

Tanguay V等[6]針對粒度為2～100 μm的鋁顆粒在1 atm，研究了鋁顆粒在氫氧混合物爆轟產(chǎn)物中的點火燃燒。通過測定顆粒在反應(yīng)中的發(fā)光時間估算顆粒點火時間及燃燒時間，得出顆粒的燃燒時間與粒徑近似滿足t～D0.5，并通過發(fā)射光譜測定鋁顆粒的燃燒溫度為2 200～2 800 K，研究結(jié)果表明，該粒徑范圍內(nèi)的鋁顆粒與氫氧爆轟產(chǎn)物的燃燒為動力學(xué)機理控制燃燒而非擴散控制燃燒。

Risha G A等[7]通過實驗研究了粒徑在38～130 nm鋁顆粒與水直接混合，在0.1～4.2 MPa的環(huán)境壓力下不同混合比(0.5～1.25)的燃燒情況，首次得出了鋁顆粒單位面積質(zhì)量燃燒速率以及線性燃燒速率，且鋁顆粒和水燃燒速率的壓力指數(shù)為0.47，粒徑指數(shù)為-1.0。 隨后，Sundaram D S等[8]研究了相同粒徑的鋁顆粒與水蒸氣在壓強范圍為1～10 MPa的燃燒情況，基于能量守恒方程，建立了混合火焰結(jié)構(gòu)模型，通過求解納米鋁顆粒關(guān)于環(huán)境壓力及粒徑的燃速方程，得出與Risha G A等獲得的相同的粒徑指數(shù)，但他們得出的壓力指數(shù)為0.32。

Sarou-Kanian等[9]在CO2的環(huán)境中對粒徑大約為3 mm的大顆粒鋁進行了燃燒實驗，并運用氣體動力技術(shù)使顆粒懸浮，研究結(jié)果表明在CO2氣氛環(huán)境下，碳會沉積在鋁顆粒的表面阻礙鋁的蒸發(fā)同時影響異相表面燃燒反應(yīng)。隨后，Sarou-Kanian等[10]又發(fā)現(xiàn)在CO2中混合少量的H2O或者H2可以使鋁顆粒氧化殼變??；同時，運用X射線衍射技術(shù)檢測燃燒過的鋁顆粒的截面發(fā)現(xiàn)了有Al、Al2O3、Al4C3和Al4O4C的存在，證明了C可以溶解在液態(tài)鋁中，最終形成一層C殼，可有效阻止鋁的進一步氧化。

Bazyn等[11]研究了粒徑為10 μm的顆粒在激波管中的燃燒情況，發(fā)現(xiàn)在鋁的燃燒過程中CO2作為氧化劑的氧化性略高于H2O，指出對于鋁顆粒的燃燒時間O2、CO2、H2O的壓力指數(shù)分別為-0.9，0.3和0.2。由擴散控制燃燒理論可知，氧化劑的氧化性強弱不依賴于壓力的大小，但隨著顆粒粒徑的減小，反應(yīng)擴散的尺度及時間尺度也變小，反應(yīng)動力對燃燒的影響越來越大。研究結(jié)果表明CO2的氧化性是H2O的兩倍，是O2的一半，這個結(jié)果同Gremyachkin等[12]研究得出的結(jié)果相類似。同時，實驗研究表明，燃燒環(huán)境中的各種組分以及燃燒過程中的中間產(chǎn)物、燃燒環(huán)境的壓力、初始溫度以及初始顆粒大小等因素對鋁的燃燒有著重要影響，因此，在對Al顆粒燃燒數(shù)值模擬中需加入鋁的詳細的化學(xué)反應(yīng)機理以及燃燒環(huán)境等因素。

除此之外，關(guān)于Al顆粒燃燒火焰的形狀問題，Sun J等[13]針對單顆粒鋁燃燒的實驗中發(fā)現(xiàn)了鋁顆粒燃燒所形成的火焰并不能簡單認為是對稱結(jié)構(gòu)，造成這種現(xiàn)象的原因之一可能是顆粒燃燒過程中氧化層的破裂使得鋁蒸汽從顆粒表面噴射出的噴射效應(yīng)。

綜上所述，鋁顆粒在不同氧化劑(O2，CO2，H2O)中的燃燒情況是不同的，O2對鋁燃燒反應(yīng)的影響因素最大，H2O最小。鋁顆粒的燃燒過程的中間產(chǎn)物AlO對燃燒機理控制方面有著重要的影響作用。同時微米級鋁顆粒主要由擴散-機理控制其燃燒，相比之下納米級鋁顆粒的燃燒主要由反應(yīng)機理控制。在鋁實際燃燒過程中顆粒并不總是保持球?qū)ΨQ的，鋁在燃燒過程中會出現(xiàn)顆粒破碎，從而造成鋁蒸汽從顆粒表面噴射等現(xiàn)象。以上現(xiàn)象及觀點對建立鋁顆粒燃燒模型有著重要的指導(dǎo)作用。

2Al顆粒鋁燃燒模型及比較分析

2.1Al顆粒Dn燃燒模型

最早，Belyaev等[14]于1968年在推進劑中僅僅混入0.01%的鋁顆粒，目的是避免鋁顆粒燃燒聚結(jié)作用，便于觀測每個鋁顆粒的燃燒速率。通過改變氣相中H2O和CO2濃度、鋁顆粒直徑和環(huán)境壓力，研究了鋁顆粒燃燒時間與顆粒直徑、H2O和CO2濃度的關(guān)系式

(1)

其中：tb為顆粒的燃燒時間(ms)；D為顆粒直徑(μm)；aK為CO2和H2O的相對濃度，其值介于0.3～0.7之間。

隨后，Pokhil[15]、Law[16]、Prentice[17]、King[18]和Melcher等[19]對Al顆粒燃燒開展了大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)鋁顆粒的燃燒時間與式(1)的D1.5模型存在較大的差異，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計后得出直徑指數(shù)應(yīng)約為1.8。再后來，Beckstead[20]考慮了具有不同強弱氧化性的氧氣、水、二氧化碳作為氧化劑對Al顆粒燃燒進行了實驗研究，基于對大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到了粒徑在10～1 000 μm的Al顆粒燃燒時間的預(yù)估經(jīng)驗公式為

(2)

其中：tb為顆粒的燃燒時間(ms)；D為顆粒直徑(μm)；P為壓力(atm)；T0為環(huán)境溫度(K)，Xeff=cO2+0.6cH2O+0.22cCO2，當n=1.5時a=0.024 4；n=1.8時a=0.007 35。

不同粒徑Al顆粒在不同燃燒環(huán)境下燃燒的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。圖1為實驗數(shù)據(jù)以及式(1)與式(2)的擬合計算結(jié)果。從圖1中可以看出，對于粒徑較大時(D>40 μm)時，式(1)擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較吻合。而當粒徑較小時(D≤40 μm)，式(2)擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較吻合。盡管如此，式(2)不可以運用于納米級的鋁顆粒燃燒的計算，主要原因是納米級的鋁顆粒燃燒主要受化學(xué)反應(yīng)機理的控制，并非同粒徑較大的微米級鋁顆粒一樣受擴散作用主導(dǎo)。由此可見，隨著Al顆粒粒徑的減小，式(2)的計算誤差越來越大，宏觀描述燃燒速度已經(jīng)不能適用，進而需要引入Al顆粒的反應(yīng)動力學(xué)。

表1　鋁燃燒實驗數(shù)據(jù)來源

圖1　不同環(huán)境條件下鋁顆粒燃燒時間

Puri和Yang[25]采用分子動力學(xué)法研究了Al顆粒粒徑與其熔點的關(guān)系，研究結(jié)果表明，微米級的鋁顆粒的熔點遠高于納米級鋁顆粒的熔點。Huang等[26]在對納米鋁顆粒在空氣中燃燒的研究中，發(fā)現(xiàn)其燃燒時間依賴于燃燒火焰溫度，并在Beckstead的公式基礎(chǔ)上修正得到了納米級基于化學(xué)動力學(xué)控制的在低壓燃燒模型

(3)

其中：C=5.5×104；Eb=73.6 kJ/mol；R為理想氣體常數(shù)。

盡管微米級的Al顆粒與納米級的Al顆粒在燃燒機理上存在差異，但王寧飛[27]通過實驗對比研究發(fā)現(xiàn)，當微米級顆粒燃燒至一定程度時，其燃燒會從擴散控制模態(tài)轉(zhuǎn)化為化學(xué)控制模態(tài)，此時，無論是d1.8模型還是d0.3模型，都可以用來計算其燃燒時間，為兩種級別的Al顆粒燃燒時間的估計給出了一種簡便的方法。

2.2Al顆粒Law模型

Beckstead[28]總結(jié)了早期Al顆粒燃燒的模型及理論研究成果。文獻[28]指出，Brzustowski和Glassman[29]于20世紀60年代最先對Al顆粒在蒸汽相中的燃燒進行了研究，發(fā)現(xiàn)當Al的沸點低于其氧化物沸點時，Al顆粒燃燒可在其蒸汽相中穩(wěn)定燃燒，并將碳氫液滴燃燒模型作為Al顆粒的擴散蒸汽相燃燒模型，當然，該模型存在較大的誤差。Law[30]第一個建立了具有完整意義的Al顆粒擴散蒸汽相燃燒模型，其物理意義如圖2所示，氧化劑與鋁蒸汽進行氧化反應(yīng)形成火焰燃燒區(qū)，氧化產(chǎn)物向環(huán)境及顆粒表面擴散。研究表明，氧化物向顆粒表面擴散能夠增加鋁顆粒的蒸發(fā)速率，而向環(huán)境中擴散的氧化物對鋁顆粒的燃燒速率影響不大。

圖2　Law的鋁顆粒燃燒模型

上述兩種鋁顆粒的燃燒模型對于計算鋁顆粒的燃燒時間及火焰溫度有較好的預(yù)測效果，存在的缺點和不足主要有：① 均不能夠預(yù)測出在燃燒過程中各種物質(zhì)量的分布情況、氧化物的凝聚以及沉積對燃燒過程的影響作用；② 在模型中所涉及的鋁燃燒的機理用總包反應(yīng)進行描述，并不能夠反應(yīng)出鋁真實的氧化過程；③ 模型中只考慮氧氣作為氧化劑對Al顆粒燃燒的影響，但對于復(fù)合推進劑中氧化劑燃燒產(chǎn)物中二氧化碳和水的總和影響并未考慮。

2.3Al顆粒L-B燃燒模型

隨著固體火箭發(fā)動機對推進劑的性能提出更高的要求，研究人員對Al顆粒的燃燒又進行了深入的研究。Liang和Beckstead等[31]提出了二維-非穩(wěn)態(tài)-蒸汽擴散-動力控制數(shù)值模型，該模型對Al顆粒點火之后在氧化劑的環(huán)境中燃燒過程進行了詳細描述，L-B模型能較好地模擬鋁顆粒在火箭發(fā)動機中的燃燒情況，其燃燒模型的物理描述如圖3所示。

圖3　Liang-Beckstead的鋁燃燒模型

該模型主要基于如下基本假設(shè)：① Al顆粒已被點燃，顆粒表面的溫度為其常壓下的沸點；② 將Al顆粒認為是球形，周圍的氣體流動屬于層流運動；③ 運用均勻流動(LHF)模型表示液相氧化物煙霧；④ 運用多種組分分子輸運描述所有的氣態(tài)物質(zhì)，對于所有的物質(zhì)采用有限速率化學(xué)反應(yīng)模型。除此之外，該模型中包括了一個凝聚模型和一個沉積模型，運用簡單的灰體模型代替鋁顆粒表面與火焰面之間的熱量的輻射傳遞，同時還可以考慮Al顆粒運動對燃燒特性的影響。

L-B模型通過求解動量、質(zhì)量、能量和組分守恒方程，獲得鋁顆粒周圍的組分分布、溫度分布以及燃燒時間。這個模型所估算的燃燒時間為當鋁顆粒消耗95%時的時間。該模型的優(yōu)點是：一方面，可以模擬單顆粒鋁在不同氧化劑、不同壓力的環(huán)境中燃燒情況，其輸運和熱力學(xué)特性可用CHEMKIN軟件包求解；另一方面是引入了Al顆粒的反應(yīng)機理，隨著今后對Al顆粒的反應(yīng)機理研究不斷深入，很方便對模型進行改進和完善。

2.3.1凝聚模型

在計算凝聚模型時，Liang和Beckstead通常假設(shè)AlxOy首先和氧化劑反應(yīng)形成氣態(tài)Al2O3，隨后氣態(tài)Al2O3均勻凝結(jié)成液態(tài)Al2O3[27]。

(4)

其中:Cm=CAlO,CAl2O,CAlO2；Cn=CH2O,CO2；Cp=CH2,CO2。

第一步反應(yīng)速率為

(5)

第二步反應(yīng)速率為

(6)

總的凝聚反應(yīng)速率為

(7)

2.3.2沉積模型

在沉積模型中假設(shè)氧化鋁沉積在鋁顆粒表面，并在顆粒迎風(fēng)面匯集形成“氧化帽”。由于在實驗中并沒有觀測到氧化鋁的離解，因此在沉積模型中不考慮氧化鋁的分解，模型描述如圖4所示。

圖4　沉積模型

在沉積模型中鋁顆粒和氧化鋁滿足以下關(guān)系式[27]。

(8)

SA=2πRhmox=ρoxV

(9)

(10)

目前，在對鋁顆粒的燃燒數(shù)值計算時，L-M鋁顆粒燃燒模型是比較好的模型，因為該模型充分考慮了Al顆粒的詳細化學(xué)反應(yīng)機理[32-34]。該模型的最大特點是指出了鋁顆粒的燃燒與一般碳氫燃料液滴燃燒的最大差距在于鋁的燃燒產(chǎn)物氧化鋁將會凝結(jié)并沉積在鋁顆粒的表面上，鋁顆粒在氧化劑下燃燒更接近于擴散控制過程，可得到燃燒溫度和二維組分的分布。該模型能夠較好地模擬微米級球形鋁顆粒在不同組分的氧化劑中燃燒情況，用來研究氧化劑的濃度、初始溫度、燃氣以及顆粒表面的壓力和氧化帽對燃燒的影響。該模型的缺點是并沒有考慮在實際燃燒過程中顆?？赡馨l(fā)生破碎、運動燃燒過程以及氧化帽的多孔特性。

2.4近期鋁燃燒模型

MerrillK.Kin[35]對Brooks和Beckstead[36]、DesJardin[37]、Fabignon[38]的研究成果進行總結(jié)分析，并對L-M模型的細節(jié)做了一些補充，發(fā)展了一個更加詳細的鋁顆粒燃燒模型。Merrill將鋁顆粒的燃燒過程大致分為3個步驟：鋁蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)→初步形成低能氧化物→最終凝聚為三氧化二鋁。該模型可以預(yù)測在固體火箭發(fā)動機工作環(huán)境中鋁顆粒燃燒時粒徑、氧化帽尺寸及形狀隨時間的變化，物理模型如圖5所示。

圖5　Merrill K.King鋁顆粒燃燒模型

為便于計算，提出如下假設(shè)：① 顆粒表面、火焰面、凝聚面和外環(huán)境邊界4個無限薄的邊界將顆粒附近劃分為燃燒內(nèi)區(qū)、燃燒中區(qū)與燃燒外區(qū)3個區(qū)域。燃燒過程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)都在界面處迅速發(fā)生并反應(yīng)完畢，各組分氣體所受擴散作用流通于不同區(qū)域，同時傳遞質(zhì)量與能量；② 假設(shè)顆粒的燃燒是一個準穩(wěn)態(tài)過程，顆粒的消耗量和氧化物的凝聚量是當前顆粒直徑、環(huán)境條件和氧化鋁聚集量的函數(shù)。通過求解質(zhì)量、能量、各組分氣體化學(xué)反應(yīng)當量及經(jīng)驗式，可以求解各組分氣體質(zhì)量流量，Al的消耗率以及Al2O3的生產(chǎn)率等。模型中各個層所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如表2所示。

表2　各個層所發(fā)生的具體化學(xué)反應(yīng)

RyanHouim和KennethK.Kuo[39]提出了一個可計算非球形鋁顆粒的點火和燃燒的R-K模型，物理化學(xué)過程如圖6所示。

該模型運用VOF多相流方法可以模擬顆粒變形、與環(huán)境中流體相互運動、質(zhì)量蒸發(fā)、能量轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)等。R-K模型與其他模型最主要的區(qū)別在于其運用多相流理論可以計算出液滴的表面張力、凝聚相材料的加熱、沸騰、凝聚和異相化學(xué)反應(yīng)。該模型的顯著優(yōu)點是通過考慮液相與氣相的邊界條件，液相蒸發(fā)模型和詳細的Al顆粒與氧氣、碳氫化合物以及二氧化碳的詳細反應(yīng)機理，詳細刻畫了不規(guī)則Al顆粒從點火到燃燒以及氧化帽形成的過程，不需簡化假設(shè)氧化帽的結(jié)構(gòu)形狀，對于分析Al顆粒燃燒凝聚結(jié)合提供一種較為直接的計算方法。

圖6　R-K鋁顆粒燃燒模型

2.5小結(jié)

通過總結(jié)Al粒子的燃速的Dn模型，發(fā)現(xiàn)修正的Dn模型已經(jīng)能夠較好預(yù)測不同環(huán)境下的Al粒子的燃燒時間，進而可估計燃燒速度；其次，Law模型已經(jīng)是具有真正意義的Al粒子擴散蒸汽相燃燒模型，考慮了氧化劑與環(huán)境因素對燃速和燃燒溫度的影響，不足之處，只能適用于氧氣；基于蒸汽擴散的二維非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)動力控制的L-B模型，包含了燃燒-凝聚-沉淀模型，能夠較好地描述火箭發(fā)動機內(nèi)鋁顆粒的燃燒，但要了解比較詳細Al顆粒燃燒的反應(yīng)動力學(xué)過程；近期發(fā)展的來的L-M與R-K模型，對于Al粒子的燃燒做了更為細致的刻畫，能夠更好地描述Al粒子在不同環(huán)境下的燃燒產(chǎn)物和組分變化，為更好地理解Al粒子的燃燒行為提供了一個重要的計算途徑。

3結(jié)束語

Al顆粒作為固體推進擠中的重要組分，其燃燒特性與燃燒過程描述對深入研究固體火箭發(fā)動機燃燒環(huán)境的建模非常必要。鋁的燃燒是一個復(fù)雜的過程，可以類比于液滴蒸發(fā)燃燒，受燃料和氧化劑擴散控制，但不能單純地用液滴燃燒理論表征。鋁在燃燒時，氣相的燃燒產(chǎn)物會凝結(jié)成液態(tài)的氧化鋁，這一凝結(jié)產(chǎn)物會大大地影響燃燒反應(yīng)放熱。凝結(jié)下來的氧化鋁會沉積在顆粒表面，形成一個氧化帽，使鋁的氣化速率、溫度及其他顆粒表面物理量的分布發(fā)生扭曲，而且氧化帽還會導(dǎo)致顆粒的破裂。凝相產(chǎn)物的分解使火焰溫度幾乎維持在鋁的蒸發(fā)溫度。鋁的燃燒模型必須在液滴燃燒模型基礎(chǔ)上進行較大的改進。盡管Merrill基于Al顆粒詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)提出了更加完善的燃燒模型，可適用于火箭發(fā)動機環(huán)境的Al顆粒燃燒過程的模擬，但仍需要引入Al顆粒的隨機運動和火箭發(fā)動機實際環(huán)境的變化和兩相流過程。因此，火箭發(fā)動機內(nèi)的Al顆粒的燃燒數(shù)值模擬方法仍有很多工作要做；隨著納米科學(xué)以及量子化學(xué)的發(fā)展，研究人員對于鋁的燃燒反應(yīng)機理的認識不斷深入。納米鋁顆粒的燃燒機理和微米級鋁顆粒有很大的區(qū)別，現(xiàn)有的模型并不能很好地計算納米鋁顆粒燃燒的情況，以及鋁顆粒燃燒過程中噴射及破碎過程。為了能夠揭示鋁顆粒在固體火箭發(fā)動機中燃燒過程碰撞、聚合以及分裂的過程，還需要對鋁的燃燒細節(jié)做進一步的探索與研究。

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(責(zé)任編輯唐定國)

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2016-01-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助(51106075)

作者簡介：田入園(1992—)，男，碩士研究生，主要從事金屬添加劑燃燒特性研究。 通訊作者：張領(lǐng)科(1977—)，男，副研究員，主要從事高效火炮發(fā)射技術(shù)及含能材料的燃燒控制技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.030

中圖分類號：V311+.3

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0137-07

Literature Review of Single Aluminum Combustion Model and Theoretical Research

TIAN Ru-yuan, ZHANG Ling-ke

(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order for having a comprehensive understanding of the aluminum particles combustion characteristics, the important aluminum particle combustion experimental and theoretical research was outlined. A figure of aluminum particles burn time, according to the relevant experimental data under different conditions, was described. It has described Dnmodel, Law model, L-B model and detailed chemomotive force response model, and the applicability, advantages and disadvantages of the above models were described. And it has pointed out that clearing the combustion mechanism of aluminum particles is important for improving model. In order to describe Al particles combustion characteristics better in a rocket engine, it proposed a direction of improving aluminum particle combustion model and future research priorities.

Key words:energetic material; solid propellant; metal combustion; aluminum particle; combustion model

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】