Mg/PTFE/Viton富燃煙火劑凝聚相燃燒產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析

章康康，韓玉閣，任登鳳，朱晨光

Mg/PTFE/Viton富燃煙火劑凝聚相燃燒產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析

章康康1, 2，韓玉閣1, 2，任登鳳1, 2，朱晨光3

(1. 南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094；2. 南京理工大學(xué)電子設(shè)備熱控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；3. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210094)

為研究鎂/聚四氟乙烯/氟橡膠(MTV)富燃煙火劑的凝聚相燃燒產(chǎn)物，利用掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀對(duì)收集的產(chǎn)物進(jìn)行了定性定量分析，同時(shí)使用高速攝影儀記錄燃燒過(guò)程．為獲得凝聚相產(chǎn)物的組分分布特性，建立了三維穩(wěn)態(tài)燃燒流動(dòng)模型．研究結(jié)果表明：Mg的凝聚相燃燒產(chǎn)物包括MgF2和MgO，MgF2為主要燃燒產(chǎn)物且分布在燃面附近的無(wú)氧燃燒核心區(qū)，并大多聚集成粒徑為3～5μm的球形團(tuán)聚體，MgO位于外圍的有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)，且大多呈現(xiàn)白色絮狀結(jié)構(gòu)．

MTV煙火劑；凝聚相產(chǎn)物；組分分布；數(shù)值模擬

由鎂(Mg)、聚四氟乙烯(PTFE)以及少量氟橡膠(Viton)混合而成的含能材料，簡(jiǎn)稱為MTV煙火劑[1-2].其中氟橡膠作為黏合劑加入以提高混合物的均勻性，并保護(hù)鎂顆粒在存儲(chǔ)過(guò)程中不被氧化．MTV煙火劑燃燒時(shí)能夠產(chǎn)生高溫火焰和顆粒，同時(shí)在紅外波段也具有很高的輻射能量，已在點(diǎn)火藥、推進(jìn)劑、照明彈、紅外誘餌彈等方面得到廣泛應(yīng)用[3-5]．煙火劑的種類繁多且燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，目前還沒有形成統(tǒng)一的煙火劑燃燒理論模型．而對(duì)燃燒產(chǎn)物的研究有助于揭示其復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理，并為燃燒模型的建立提供依據(jù)．其中凝聚相燃燒產(chǎn)物的成分、形貌特征以及在流場(chǎng)中的分布特性直接影響著煙火劑的使用效能，因此，有必要對(duì)MTV凝聚相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行深入研究．

眾多學(xué)者對(duì)金屬-氟碳基煙火劑的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了分析，并在假設(shè)和推論的基礎(chǔ)上，建立燃燒模型以反映煙火藥劑的燃燒過(guò)程，取得了一系列的研究成果．Koch[6]通過(guò)X射線熒光分析了鎂基煙火劑的燃燒產(chǎn)物MgF2顆粒的核心結(jié)構(gòu)，并通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)觀察到了MgF2顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象．Xue等[7]基于粒子圖像速譜儀(PIV)和高速攝影儀(HSC)研究了煙火藥火焰中正在燃燒粒子流場(chǎng)分布特性．朱晨光等[8]采用射流取樣與HSC相結(jié)合的分析方法獲得了煙火藥火焰中正在燃燒粒子的尺寸與數(shù)量分布. Ak等[9]通過(guò)建立一維非穩(wěn)態(tài)兩相燃燒模型，數(shù)值分析了MTV煙火劑在密閉腔中的燃燒流動(dòng)特征，得出煙火劑顆粒的質(zhì)量流率和粒徑是影響流動(dòng)的重要參數(shù)．林長(zhǎng)津等[10]、Ma等[11]對(duì)Mg基煙火劑的氣相反應(yīng)過(guò)程做了數(shù)值模擬，并獲得了火焰的射流結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)產(chǎn)物的分布．

以往的研究多以燃燒顆粒在流場(chǎng)中的分布特性為重點(diǎn)，而未深入探究凝聚相燃燒產(chǎn)物的成分和形貌．少數(shù)針對(duì)MTV燃燒流動(dòng)特性建立的數(shù)值模型僅考慮純氣相反應(yīng)，未涉及凝聚相組分．為此，本研究借助HSC記錄MTV燃燒火焰和顆粒的演變過(guò)程，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)對(duì)凝聚相產(chǎn)物進(jìn)行了定性定量分析．在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了MTV煙火劑三維穩(wěn)態(tài)燃燒與流動(dòng)的耦合模型，并使用阿倫尼烏斯形式的表達(dá)式來(lái)表征凝聚相產(chǎn)物的摩爾生成速率，獲得了凝聚相燃燒產(chǎn)物的分布特性．

1?實(shí)驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)樣品

MTV富燃煙火劑使用Mg粉作為可燃劑，PTFE作為氧化劑，并添加少量Viton作為黏合劑．Mg粉粒徑為75μm，活性Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于99％，上海龍昕科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；PTFE白色粉末的平均粒徑為30μm，浙江巨化生產(chǎn)；Viton中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65.9%，中昊晨光化工研究院生產(chǎn)．藥品經(jīng)過(guò)混合、造粒等過(guò)程后放入直徑為10mm的模具中，經(jīng)油壓機(jī)完成壓藥，成型的藥柱如圖1(a)所示，直徑為10mm，高度為15mm，藥柱密度達(dá)到1.8g/cm3．藥柱制備過(guò)程中，將少量的Mg和PTFE混合粉末放在主藥的頂端作為點(diǎn)火藥，具體配方如表1所示．為了防止藥柱側(cè)向燃燒，藥柱側(cè)面上涂有耐高溫絕緣橡膠，藥柱的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示．

表1?MTV藥劑配方

Tab.1?MTV formulations

圖1?MTV藥柱結(jié)構(gòu)示意

1.2?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥柱固定在燃燒室的底盤上，通過(guò)電點(diǎn)火方式引燃．采用日本photron FASTCAM Mini UX50 HSC以500幀/s的幀頻記錄藥劑顆粒在環(huán)境空氣中噴射燃燒的演變過(guò)程．藥柱燃燒結(jié)束后，收集固體燃燒產(chǎn)物并做進(jìn)一步分析．使用美國(guó)FEI公司Quanta 400 FEG SEM對(duì)固體燃燒產(chǎn)物表面形貌進(jìn)行觀察與表征；使用美國(guó)EDAX公司Appllo xl EDS對(duì)燃燒產(chǎn)物固體成分中的元素含量進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得其燃燒產(chǎn)物成分．

1.3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.3.1?HSC記錄結(jié)果

MTV富燃煙火劑是通過(guò)機(jī)械混合壓制而成的高能材料，屬于典型的非均勻多孔介質(zhì)．當(dāng)藥柱燃面接收到點(diǎn)火能量的刺激后，首先是碳氟組分發(fā)生熱分解并完成氣化，從而造成體系疏松并有部分Mg顆粒表面受熱熔化并經(jīng)由燃面噴射進(jìn)入火焰中形成熱點(diǎn)；隨著溫度的進(jìn)一步升高，Mg的氟化反應(yīng)在燃面附近區(qū)域劇烈進(jìn)行并置換出高濃度的碳質(zhì)顆粒，從而形成了靠近燃面的高亮錐形區(qū)；此外，部分未完全反應(yīng)的Mg在高溫條件下脫離火焰核心區(qū)，與周圍卷吸進(jìn)入的氧氣發(fā)生復(fù)燃反應(yīng)并形成相對(duì)獨(dú)立的燃燒單元并在化學(xué)反應(yīng)和湍流的雙重作用下繼續(xù)向火焰外圍運(yùn)動(dòng)直至完全熄滅，至此完成了Mg顆粒的燃燒過(guò)程．

實(shí)驗(yàn)采用HSC記錄煙火藥劑在常溫常壓環(huán)境下的燃燒過(guò)程，圖2中紅色標(biāo)識(shí)區(qū)域真實(shí)地反映了燃燒顆粒從火焰中的脫離過(guò)程．可以明顯看出，火焰主要是由氣體和部分具有高溫質(zhì)點(diǎn)效應(yīng)的燃燒粒子構(gòu)成，燃燒粒子形成了脫離火焰核心的相對(duì)獨(dú)立的燃燒單元．在整個(gè)連續(xù)拍攝的燃燒過(guò)程中，同時(shí)捕捉到了少數(shù)Mg顆粒在脫離燃燒表面時(shí)發(fā)生了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖2中灰色標(biāo)識(shí)區(qū)域所示．這是由于Mg蒸氣與氧化劑反應(yīng)形成的小尺寸的氧化物顆粒，在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)又會(huì)發(fā)生碰撞、聚結(jié)或破碎等物理過(guò)程，從而顆粒不斷積累、聚集，最后團(tuán)聚成較大獨(dú)立的燃燒質(zhì)點(diǎn)，隨著其逐漸遠(yuǎn)離核心火焰，燃燒質(zhì)點(diǎn)很快熄滅．

圖2?燃燒顆粒的演變過(guò)程

1.3.2?凝聚相燃燒產(chǎn)物分析

為更好地理解凝聚相組分從燃燒表面脫離后的燃燒過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)收集的殘余燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析．圖3分別給出了未燃燒和已燃燒的煙火藥劑表面微觀分析結(jié)果，圖3(a)和3(b)的放大倍數(shù)分別為1000倍和10000倍．圖3(a)為原始富燃煙火劑未燃燒時(shí)的表面微觀結(jié)構(gòu)，圖中球形成分為Mg粉，Mg粉表面被很多小顆粒的聚四氟乙烯粉末和溶解后的氟橡膠均勻地包覆．在常壓下對(duì)煙火劑進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，燃燒結(jié)束后對(duì)收集的凝聚相產(chǎn)物進(jìn)行微觀形態(tài)分析，如圖3(b)所示．從微觀上看，燃燒產(chǎn)物中存在多種形狀結(jié)構(gòu)，其中廣泛分布的白色絮狀結(jié)構(gòu)為MgO．TEM分析結(jié)果表明[6]：?jiǎn)蝹€(gè)MgF2顆粒為球形結(jié)構(gòu)，且其直徑在納米級(jí)別，但其通常會(huì)聚集成直徑為幾微米的團(tuán)聚體，并仍然呈現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)．可以看出燃燒產(chǎn)物中存在大量的平均直徑在3～5μm級(jí)別的球形顆粒，這些大多是MgF2顆粒的團(tuán)聚物．少數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則形狀的團(tuán)聚體應(yīng)為復(fù)合粒子，可能包括未完全反應(yīng)的碳氟組分和Mg及其反應(yīng)產(chǎn)物．此外，燃燒產(chǎn)物中有部分球形的Mg粉顆粒殘留，說(shuō)明反應(yīng)并沒有完全進(jìn)行．

圖3?未燃燒和已燃燒煙火劑表面微觀結(jié)構(gòu)

圖4為EDS分析測(cè)試圖像，放大倍數(shù)為5000倍，為減小測(cè)試誤差，EDS分析選用了5個(gè)點(diǎn)位，其平均測(cè)試結(jié)果匯總于表2．EDS分析結(jié)果表明凝聚相燃燒產(chǎn)物主要由Mg、F、O、C等元素組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為51.4%、26.3%、10.1%和12.3%．依據(jù)MgF2中Mg元素和F元素的質(zhì)量比為12∶19，MgO中Mg元素和O元素的質(zhì)量比為3∶2，假設(shè)產(chǎn)物中的F和O分別通過(guò)Mg的氟化反應(yīng)和氧化反應(yīng)完全消耗生成MgF2和MgO，則反應(yīng)總共消耗31.8%的Mg．而實(shí)際測(cè)試結(jié)果中Mg元素含量為51.4%，表明煙火劑燃燒不充分，燃燒產(chǎn)物中除含有MgF2，MgO外，還有部分沒有完全反應(yīng)的Mg顆粒．根據(jù)以上結(jié)果，現(xiàn)假設(shè)MTV燃燒產(chǎn)物共有100g，則可以計(jì)算出生成物中MgF2為43.4g，MgO為24.0g，C為12.0g，Mg為19.2g．由此可見，Mg的凝聚相燃燒產(chǎn)物包括MgF2和MgO，MgF2為主要燃燒產(chǎn)物，兩種組分的質(zhì)量比為1.8．

圖4?EDS測(cè)試點(diǎn)位

表2?EDS測(cè)試取樣平均結(jié)果

Tab.2?Average results of EDS test sampling

1.3.3?微尺度燃燒過(guò)程

以上靜態(tài)常壓燃燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MTV富燃煙火劑的燃燒屬于層狀燃燒和粒狀擴(kuò)散燃燒．燃燒場(chǎng)中存在的具有高溫質(zhì)點(diǎn)效應(yīng)的燃燒粒子的反應(yīng)介于單質(zhì)反應(yīng)與復(fù)雜的煙火藥劑燃燒反應(yīng)之間，體現(xiàn)了微尺度燃燒的概念[7]．Kubota等[12]、Kuwahara等[13]均對(duì)Mg顆粒的微尺度反應(yīng)進(jìn)行了探究，但均未考慮Mg的復(fù)燃反應(yīng)．在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)對(duì)MTV煙火劑完整的微尺度燃燒過(guò)程進(jìn)行描述，如圖5所示：①首先MTV混合物吸收點(diǎn)火熱量；②PTFE首先完成氣化分解并生成C2F4單體，金屬M(fèi)g顆粒同時(shí)從外層開始熔化、氣化；③熔化、氣化的Mg被排向氣相反應(yīng)區(qū)并首先發(fā)生氟化反應(yīng)生成MgF2；④過(guò)量的Mg在氣相區(qū)繼續(xù)燃燒并與空氣中的O2繼續(xù)復(fù)燃反應(yīng)生成MgO，藥柱則接著進(jìn)行下一層燃燒.

圖5?MTV富燃煙火劑微尺度燃燒過(guò)程

2?數(shù)值模擬

2.1?數(shù)理模型

MTV富燃煙火劑在大氣環(huán)境中的燃燒首先經(jīng)歷碳氟組分的分解反應(yīng)和金屬M(fèi)g的氟化反應(yīng)．隨后，無(wú)氧燃燒產(chǎn)物C以及過(guò)量的Mg與環(huán)境氣體中卷吸進(jìn)入的O2發(fā)生復(fù)燃反應(yīng)．隨著燃燒產(chǎn)物與環(huán)境氣體的混合，溫度迅速下降，MgO、MgF2等組分開始凝結(jié)成凝聚相產(chǎn)物．

基于上述物理模型，采用Realizable-湍流模型模擬燃燒場(chǎng)中氣體湍流效應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)采用EDC燃燒模型，由于缺乏Mg的非均相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱物性參數(shù)以及完整的MgF2和MgO的凝聚機(jī)理，當(dāng)前建立的模型不考慮表面反應(yīng)、輻射傳熱以及完整的冷凝過(guò)程．以阿倫尼烏斯形式的表達(dá)式來(lái)表征凝聚相產(chǎn)物MgF2和MgO的摩爾生成速率，并將凝聚相產(chǎn)物視作具有低擴(kuò)散系數(shù)的氣相組分．建立如下三維流動(dòng)與燃燒耦合計(jì)算的基本控制方程組[14]：

式中：，，分別表示坐標(biāo)系的不同方向；非黏性矢通量、和，黏性擴(kuò)散矢通量、和以及化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)矢量分別表示如下[14]：

式中：，，分別為，，方向上速度分量；是混合氣體密度，為組分的密度；為壓力；為總能；R為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量，即凈產(chǎn)生速率；，，，，，，，，為剪切應(yīng)力張量；，，為熱通量矢量；D為組分在混合氣體中的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；Y為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為氣體常數(shù)；為火焰燃燒溫度；M是組分的摩爾質(zhì)量；ξ為EDC模型中假定的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的小湍流結(jié)構(gòu)，稱為良好尺度，由湍流特性參數(shù)和確定；τ為反應(yīng)時(shí)間尺度；表示經(jīng)過(guò)一個(gè)反應(yīng)時(shí)間尺度后，良好尺度組分質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2?反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

MTV富燃煙火劑的無(wú)氧燃燒過(guò)程采用3步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理描述[11]，有氧燃燒過(guò)程主要考慮Mg和C的氧化反應(yīng)機(jī)理[14-15]．為得到燃燒場(chǎng)中凝聚相組分的分布特性，對(duì)氣態(tài)MgO(g)凝聚成液態(tài)MgO(l)和固態(tài)MgO(s)的物理相變過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使用阿倫尼烏斯型速率表達(dá)式表征反應(yīng)中凝聚相MgO(l)、MgO(s)的摩爾產(chǎn)率[16]，由于缺少類似的MgF2的相變速率表達(dá)式，故采用較高的指前因子來(lái)模擬MgF2組分的凝聚過(guò)程，實(shí)際計(jì)算中不斷調(diào)整這個(gè)參數(shù)，直到獲取可以接受的燃燒火焰物理溫度．

詳細(xì)的MTV反應(yīng)機(jī)理匯總于表3，基元反應(yīng)中存在的分子M作為反應(yīng)進(jìn)程中必要的能量載體；A為反應(yīng)的指前因子；b為反應(yīng)的溫度指數(shù)；E為反應(yīng)的反應(yīng)活化能．化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)K通過(guò)阿倫尼烏斯公式計(jì)算：

表3?MTV反應(yīng)機(jī)理

Tab.3?MTV reaction mechanism

2.3?計(jì)算域和邊界條件

假設(shè)MTV煙火劑的燃燒場(chǎng)是一個(gè)如圖6(a)所示的三維對(duì)稱結(jié)構(gòu)．參照實(shí)驗(yàn)尺寸，煙火劑藥柱的徑向長(zhǎng)度為10mm，軸向長(zhǎng)度為15mm．計(jì)算域的徑向長(zhǎng)度為200mm，軸向長(zhǎng)度為1000mm，為了便于后續(xù)分析，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在藥柱底端面的中心點(diǎn)．初始條件0＝0.1MPa，0＝300K，藥柱頂面作為燃面，固相分解反應(yīng)產(chǎn)生的多組分氣體以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速度0＝10m/s經(jīng)燃面噴射進(jìn)入氣相反應(yīng)區(qū)；燃燒氣流的入口溫度取Mg在常壓下的沸點(diǎn)溫度1366K[20]；計(jì)算域的底面設(shè)為無(wú)滑移絕熱壁面，其余邊界均設(shè)為壓力出口．整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，藥柱附近區(qū)域局部加密，圖6(b)為計(jì)算域中-平面(＝0)的網(wǎng)格劃分示意圖，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量為89萬(wàn)．

圖6?計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分(X-Z平面)

2.4?模擬結(jié)果及分析

采用本文計(jì)算模型，對(duì)MTV富燃煙火劑(Mg與PTFE的質(zhì)量比為55/45)在常溫常壓下的有氧燃燒過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的?合理性，并對(duì)其溫度和凝聚相組分分布特性進(jìn)行了分析．

2.4.1?溫度分布特性

圖7(a)為煙火劑穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)刻使用HSC記錄的高溫火焰圖像，通過(guò)定量計(jì)算可知高溫區(qū)域火焰縱向擴(kuò)展距離為8.2，為藥柱直徑．圖7(b)為數(shù)值模擬獲得的穩(wěn)態(tài)燃燒溫度場(chǎng)，可以計(jì)算得到高溫火焰縱向距離約為8.5，說(shuō)明使用本文計(jì)算模型可以較好地獲得燃燒火焰的射流結(jié)構(gòu)．從計(jì)算結(jié)果中可以明顯看出溫度場(chǎng)云圖呈射流狀，燃面上方為錐形高溫區(qū)，由于中心射流與周圍環(huán)境發(fā)生有分子間的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換，從而形成具有一定厚度的射流邊界層．從溫度分布的結(jié)果可以看出在燃面上方存在一個(gè)快速升溫段，燃燒放熱反應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)劇烈進(jìn)行，熱量通過(guò)對(duì)流向中心傳遞，導(dǎo)致中心線上溫度迅速上升到最大值，隨著火焰擴(kuò)展高度的繼續(xù)上升，逐漸遠(yuǎn)離核心反應(yīng)區(qū)，化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度的影響減弱，與周圍環(huán)境的換熱成為主導(dǎo)，溫度開始迅速下降．

圖7?燃燒射流實(shí)驗(yàn)圖像及模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)模擬結(jié)果，MTV燃燒火焰的最高溫度為2456K，同樣工況條件下相同配方的實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度為2287K[15]，誤差為7.4%，由此說(shuō)明表3中本文數(shù)值模型采用的MgF2凝聚反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是合理的．

2.4.2?凝聚相組分分布特性

圖8分別給出了凝聚相組分MgF2(s)和MgO(s)在面(＝0)上的分布云圖．可以看出MgF2主要分布在藥柱燃面附近的錐形區(qū)域，與火焰高溫區(qū)域近似重合，這表明MgF2的生成反應(yīng)為主要放熱反應(yīng)，MgO則主要分布在MgF2的外圍區(qū)域，且其摩爾分?jǐn)?shù)要小于MgF2，這與EDS的測(cè)試結(jié)果定性吻合．根據(jù)Mg凝聚相組分分布特性，可以將MTV燃燒場(chǎng)分為無(wú)氧燃燒核心區(qū)和有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)．其中無(wú)氧燃燒核心區(qū)緊鄰藥柱燃面上方，主要包括金屬M(fèi)g與藥柱自身攜帶的氧化劑之間發(fā)生的氟化反應(yīng)．具體反應(yīng)方程如下：

由于藥柱采用富燃配方(Mg與PTFE的質(zhì)量比大于33/67)，氟化反應(yīng)不足以將Mg完全消耗，在湍流和擴(kuò)散作用下，過(guò)量的Mg繼續(xù)向外圍區(qū)域運(yùn)動(dòng)，并與環(huán)境氣體中的O2繼續(xù)發(fā)生以下方程中的復(fù)燃反應(yīng)生成MgO，從而形成有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)．

圖8?凝聚相組分分布(X-Z平面)

圖9給出了火焰溫度和Mg及其凝聚相組分的摩爾分?jǐn)?shù)在方向中心線上的分布曲線．可以看出在快速升溫段(15mm≤≤53mm)，反應(yīng)物Mg的摩爾分?jǐn)?shù)急速下降，相反MgF2的摩爾分?jǐn)?shù)則快速達(dá)到峰值，而火焰溫度此時(shí)接近最大值，MgO的生成反應(yīng)此時(shí)尚未發(fā)生，因此快速升溫段對(duì)應(yīng)無(wú)氧燃燒核心區(qū)域．隨后MgO的生成反應(yīng)開始進(jìn)行，持續(xù)的能量釋放使得火焰溫度在＝64mm達(dá)到最大值，并在64mm＜≤104mm階段較為緩慢地下降，此時(shí)MgO達(dá)到峰值．因此53mm＜≤104mm階段對(duì)應(yīng)于有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)域．此后由于遠(yuǎn)離核心反應(yīng)區(qū)，在湍流及擴(kuò)散作用下，火焰溫度迅速下降直到與環(huán)境溫度相等，各組分摩爾分?jǐn)?shù)分布逐漸變得平緩．

圖9?火焰溫度和主要組分在Z方向上的分布

3?結(jié)?論

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了MTV富燃煙火劑在大氣中的噴射燃燒過(guò)程，并對(duì)收集的燃燒產(chǎn)物做了SEM和EDS分析，揭示了MTV微尺度燃燒機(jī)理．通過(guò)定量對(duì)比HSC記錄和數(shù)值模擬獲取的高溫區(qū)域火焰縱向擴(kuò)展距離，說(shuō)明使用本文計(jì)算模型可以準(zhǔn)確地對(duì)燃燒火焰的射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解；進(jìn)一步將火焰溫度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證了本文中設(shè)定的MgF2凝聚過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的合理性．凝聚相組分的分布特性的計(jì)算結(jié)果可進(jìn)一步解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并可為進(jìn)一步發(fā)展更完整和更精確的MTV燃燒模型提供依據(jù)．

(1) HSC記錄的序列圖像可以看出少數(shù)Mg顆粒在脫離燃燒表面時(shí)發(fā)生了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，通過(guò)SEM微觀分析可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物中大多粒徑在納米級(jí)別的球形MgF2顆粒會(huì)聚集成平均粒徑在3～5μm的球形團(tuán)聚體，MgO大多呈現(xiàn)白色絮狀結(jié)構(gòu)．

(2) EDS的測(cè)試結(jié)果表明燃燒產(chǎn)物中主要存在過(guò)量的Mg及其反應(yīng)產(chǎn)物MgF2和MgO，且MgF2為主要燃燒產(chǎn)物．?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果表明MgF2主要分布在燃面附近的錐形火焰高溫區(qū)域，MgO則主要分布在MgF2的外圍區(qū)域，且其摩爾分?jǐn)?shù)要小于MgF2，與EDS的測(cè)試結(jié)果定性吻合．

(3) 穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)刻的火焰圖像和凝聚相組分分布的結(jié)果均表明，MTV燃燒場(chǎng)可以分為無(wú)氧燃燒核心區(qū)和有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)．其中無(wú)氧燃燒核心區(qū)對(duì)應(yīng)燃面附近的錐形高溫區(qū)(15mm≤≤53mm)，主要包括金屬M(fèi)g的氟化反應(yīng)，MgF2的生成反應(yīng)為MTV燃燒體系中的主要放熱反應(yīng)；有氧燃燒擴(kuò)散區(qū)則位于外圍(53mm＜≤104mm)，主要包括過(guò)量的Mg與環(huán)境氣體的復(fù)燃反應(yīng)．

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Experimental and Numerical Analysis of Condensed-Phase Combustion Products of Mg/PTFE/Viton Fuel-Rich Pyrolants

Zhang Kangkang1, 2，Han Yuge1, 2，Ren Dengfeng1, 2，Zhu Chenguang3

(1. School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2. MIIT Key Laboratory of Thermal Control of Electronic Equipment，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；3. School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

To study the condensed-phase combustion products of magnesium polytetrafluoroethylene fluororubber(MTV)fuel-rich pyrolants，the collected products were qualitatively and quantitatively analyzed using scanning electron microscope and X-ray energy spectrometer. At the same time，a high-speed camera was used to record the combustion process. To obtain the component distribution characteristics of the condensed-phase products，a three-dimensional steady-state combustion and flow model was established. The research results show that the condensed-phase combustion products of Mg included MgF2and MgO. MgF2was the major combustion product，which was distributed in the anaerobic combustion core zone near the burning surface and mostly aggregated into spherical agglomerates with a particle size of 3—5 μm. MgO was located in the peripheral aerobic combustion diffusion zone，and mostly presented a white flocculent structure.

MTV pyrolant；condensed-phase product；component distribution；numerical simulation

TK16

A

1006-8740(2021)05-0521-08

10.11715/rskxjs.R202108016

2021-03-02．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51676100).

章康康（1994—??），男，博士研究生，zkknjust@163.com.

韓玉閣，男，博士，教授，yugehan1111@sina.com.

(責(zé)任編輯：武立有)