文摘

在二级管火箭室,存在硼粒子和气流之间的相对速度。因此,在静态条件下点火法不能简单地应用于代表实际的硼颗粒点火过程,它需要研究强迫对流的影响硼颗粒点火的。的硼粒子预热气体发生器可以利用气体和粒子之间的速度差异在二级燃烧室的去除液体氧化层与斯托克城的部队的援助。点火模型制定的硼粒子氧化层去除通过考虑边界层剥离机制的结果。高速流引起的剪切作用对边界层在液体的表面形成氧化层,这一层的剥离掉占硼粒子的加速点火。与国王模型相比,硼颗粒点火模型的制定考虑氧化层去除,结果从边界层剥离机理、氧化层厚度变薄,在粒子点火和降低点火时间。

1。介绍

系统的导弹推进系统技术的进步提供了大量增加在导弹的性能。更换的固体推进剂火箭氧化剂与自由流空气,如管火箭概念,提供超过5 - 1导弹射程增加能力[1]。硼多年来一直被认为是一个主要候选人用来增加管火箭功能基于其高势能释放体积和重量的基础上再加上高能源的燃烧,燃烧温度高,低分子量的产品(2]。这些特性使一个有吸引力的材料用于硼管火箭推进剂(3]。为了实现这些优点,然而,硼粒子必须点火和燃烧完全在一个非常有限的停留时间。由于硼粒子最初通常涂有一层氧化物抑制燃烧由于硼有极高的沸点,需要除表面氧化燃烧之后,这可能很困难,尤其是在不良操作条件(4]。

在以往的研究中,两个场景为硼点火和燃烧已确定,不同的控制元素在整个过程机制5]。两个有争议的理论仍有待解决描述硼点火(去除氧化物涂层)的速率限制措施(4,6,7]。先前的实验Macek和出身低微的8)和李和威廉姆斯(7)表明,硼粒子温度高时(例如,1800 K),硼扩散的速度超过了氧在氧化层扩散的速率。最近的实验观察表明重要的集聚和硼在1213 K的液化O2和基于“增大化现实”技术的环境也被解读为证据的扩散硼氧化物涂层内的氧气而不是作为极限过程(3,9]。

因为点火和燃烧的硼粒子包括释放热量,层进化假定thermo-hydrodynamic过程的形式,再加上下面的固体硼衬底和环境氧化气氛,这被认为是停滞不前(5]。重要的是要注意,大多数当前的硼颗粒点火模型约束的对称是守恒的。也就是说,氧化气氛被认为是停滞不前,统一如果粒子及其初始氧化层是球对称的。管火箭在二级燃烧室,总是存在硼粒子之间的相对速度和空气流(10]。因此,在静态条件下点火法不能简单地应用于代表实际的硼颗粒点火过程,它需要研究强迫对流的影响点火的硼粒子。许多研究已经进行了研究硼颗粒的点火实验和理论上,在纯氧和其他大气,相对较少的工作可以在点火的硼粒子在强制对流条件下11,12]。Dirk Meinkohn发达氧化薄模型允许流场在蠕动流近似推导和证明了硼颗粒点火是由马朗戈尼效应引起的,这是证明需要穿刺的扩散和氧化层断裂,导致一层一层变薄甚至完全删除(13,14]。预热气体发生器的硼粒子可以利用气体和粒子之间的速度差异在二级燃烧室的去除液体氧化层与斯托克斯部队的援助。Povitsky和高盛证明有指示快速点火增强政权由斯托克斯力实验和数值模拟15]。

本研究的目的是探讨氧化层运动并描述其影响点火的硼粒子的初始相对粒子速度高。点火模型制定的硼粒子氧化层去除通过考虑边界层剥离机制的结果。

2。配方

2.1。边界层剥离分析
2.1.1。假设

氧化层的运动在前面half-surface的硼粒子示意图见图1,使用一个球形粒子中心原点的坐标系统。 是曲线坐标沿着界面分离两个液体和 是坐标垂直于它。 代表氧化气体层和液体之间的界面。 代表气体边界层的价值。 表示液体边界层的价值。 , 代表流体速度在气体或液体边界层。 硼粒子的半径。 是液体氧化层的厚度。 代表气体freestream速度。 代表气体流体速度在硼粒子。


图1
表面氧化层运动的方案相对于流动的硼粒子。

为了解决液体氧化层运动的问题,采用如下假设。(1)内部的温度和硼粒子均匀性。(2)稳定、不可压缩流。(3)不存在流动分离固体颗粒和液体之间的界面氧化层。(4)氧化液边界层的价值小于液体氧化层的厚度。(5)硼粒子形状可以用一个球体近似简化分析,氧化层厚度远小于粒子半径,因此硼粒子周围的气体流体速度可以用以下表达式: (6)将天然气层的剪切应力在液体层界面收益率以下方程: (7)气体的压力梯度层和液体层等于:

2.1.2。方程和解决方案

two-boundary-layer问题的近似解可以通过假设任意简单速度分布包含几个参数和使用动量微分关系来确定三个参数(16]。如果我们假设是稳定、不可压缩流,那么收益率的边界层微分方程的气体和液体。

气体是由基本方程 以上是由边界条件方程 气体的压力梯度的边界层的吗 然后(4可以由)

液体的基本方程给出

上述边界条件方程给出

为了使方程解,流函数, ,被定义为 在哪里 表示潜在的长度。

是由一些标准化变量参数

然后气体的方程可以简化为 在哪里 。

上述边界条件方程可以简化为

然后方程可以简化为液体

上述边界条件方程可以简化为 在哪里 、天然气粘度 Pa·年代,液体粘度 Pa·s。

之后可能看起来像一个冗长的操纵控制方程,我们终于设立特殊形式的方程,是最合适的,以及方便的气体和液体边界层流动。为了解决(13)和(15), 和 应该是第一次。根据文献[17), 。首先, 或估计,经典的四个订单龙格-库塔方法用于解决这些常微分方程。如果获得边界值满足实际边界条件的外缘;也就是说, 和 ,可以停止计算,解决方案被发现。否则,我们必须修改的估计价值 和重复数值积分过程,直到所有外缘的边界条件得到满足。

2.1.3。空气动力学破碎的条件

在气动粉碎,有利于切向摩擦应力扫描固体颗粒的液体氧化层,表面张力是不吉利的,扫描液相氧化层。

切向摩擦应力可以表达的

球形颗粒,表面张力可以表达的 根据文献[15),不断 表面张力系数 。

我们和再保险可以表达的 在哪里 代表气体流量和硼粒子之间的相对速度。 代表了硼粒子的速度。 代表了硼粒子的直径。

而表面张力小于切向摩擦压力、空气动力学破碎可能发生。也就是说,部分液体氧化层脱离粒子如果形成以下方程:

的临界速度 可以减少的关系 除了 ,部分液体氧化层是脱离粒子转移到后方。上面的公式允许范围的临界速度的测定硼粒子涂层由一层薄薄的液体氧化层。临界速度与粒径对各种气体密度如图2。可能会发现很难气动粉碎发生当粒子直径小于15微米。


图2
临界速度与粒径对各种气体密度。

流体在圆周液体氧化层的质量被气体蒸汽在远处 从驻点

我们可以假设液体氧化层的厚度的硼粒子仍均匀性以及气动粉碎后的均匀性。下面的公式可以减少

硼粒子的液体氧化层的变化可以减少由于气动粉碎:

2.2。点火模型的硼粒子在高速流动

上面的结果被用于开发一种硼颗粒点火模型,采用一种球形的粒子。nonspherical颗粒,液体氧化层的空气动力学破碎原则上都是一样的,但相关的表达式是更复杂的。

在下面的分析中我们求助于王的模型基于假设之间的放热反应氧化硼和氧发生在boron-boron接口由于氧气扩散在融化的氧化层(4,15]。随着氧气转换成氧化硼,硼厚的氧化层,并释放出热量,氧化同时外表面蒸发,第二个过程是吸热的,减少了加热速度。热量中添加或删除从粒子通过对流和辐射,而在粒子内部的导电表面转移到中心。点火时液体氧化层的主要点粒子完全破坏了切向摩擦应力的影响(4,15]。

步骤1。 在哪里 J /摩尔, J /摩尔。 在哪里 硼是摩尔消费率。

步骤2。 在哪里 硼是摩尔的蒸发率, J /摩尔。

步骤3。 在哪里 是摩尔的氧化硼, J /摩尔。粒子半径和氧化层厚度的方程动态可以写成 右边第一项公式(33)是由于国王的模型,第二个是指液体氧化层运动的模型。为 不到 ,第二项就消失了。液体氧化层的热平衡方程所描述的(注意,必须采用三种不同的焓平衡取决于粒子温度小于,等于,或大于硼的熔点,2450 K): 在哪里 是在液相中硼的分数, 是自由流气体温度, 粒子温度, 是周围的辐射温度, , 粒子之间的传热和环境, , 。以下值被用于其他参数出现在上面的方程: , 公斤/米3, , 公斤/米3, , , , J /摩尔, J / (m2·s·K), , J /(公斤·K), J /(公斤·K), J /(公斤·K)。

3所示。结果与讨论

硼点火模型开发的这项研究涉及到九个独立参数,必须输入值产生的数值计算机程序预测的粒子粒子点火所需的点火时间和最小的气体温度(18]。变量有气体流量和硼粒子之间的相对速度,初始氧化厚度、粒子初始温度、初始粒径,环境温度(环境气体温度),有效的环境辐射温度,环境压力,水蒸气摩尔分数,和氧气摩尔分数。作为这项研究的一部分,上述每个独立变量系统的不同来确定其影响粒子是否会点燃,如果是这样,点火时间。

3.1。环境温度的影响

在图3块氧化层厚度、粒子温度、硼粒子半径,分数融化和时间提出的典型数值分析预测粒子点火。半径的粒子治疗10微米的初始氧化层厚度0.1微米和初始温度为1800 K。0.5 MPa的压力,氧气摩尔分数为0.2,水蒸气摩尔分数为零,以及气体流量和硼粒子之间的相对速度是100米/秒。环境温度和有效的环境辐射温度都是2100 K。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
预测时间依赖性的粒子的重要变量点燃的环境温度2100 K(国王模型(a) (b)我们的模型与电影移动)。

可能图所示3粒子,一旦温度超过大约2000 K,氧化物蒸发和氧化变化由于气动粉碎超越生成率,导致变薄的氧化层。硼粒子温度继续增加,氧化层变薄,而硼熔点。在这一点上,氧化层厚度和硼粒子温度保持不变,直到融化。硼粒子融化后,粒子温度继续上升和氧化层继续瘦,直到粒子点燃。与国王的模型相比,硼颗粒点火模型的制定考虑氧化层去除,结果从边界层剥离机理、氧化层厚度变薄,在粒子点火和降低点火时间。

在图4类似的结果,提出了一个案例都是一样的,除了降低环境温度和有效的环境辐射温度200 K到1900 K。点火过程的初始阶段非常类似。然而,热损失环境粒子温度高于1900 K时环境温度足以妨碍的蒸发率足够滴回代率结果停止变薄氧化层。在这种情况下,一个稳定的准稳态。硼粒子温度仍然是一个稳定值,点火不发生。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
预测时间依赖性的粒子的重要变量点燃的环境温度1900 K (a)国王的模型(b)我们的模型与电影运动)。
3.2。总压强和氧气摩尔分数的影响

总压强的影响和不含气的氧气摩尔分数最低气体流温度所需粒子点火,点火时间数据所示5和6。这些计算都表现为10微米的颗粒半径的初始温度1800 K和初始氧化厚度0.1微米。的计算进行了100 m / s气流环境中与水蒸气摩尔分数为零条件,环境温度和有效的环境辐射温度都是2100 K。类似的趋势被发现与其他粒子大小和初始氧化厚度。


图5
最小点火所需的气体温度和总压强对各种氧摩尔分数。

图6
点火时间和总压强对各种氧摩尔分数。

如图5,减少总压强降低点火所需的气体温度低氧摩尔分数,但提出了所需的气体温度高氧摩尔分数。这些相当复杂的依赖关系源于互动氧化的氧摩尔分数的影响产生率和总压强的影响氧化去除率。总压强的增加加剧了氧化氧扩散通过氧化层,但减少了蒸发率。它也会导致气体密度增加,与对面的出勤率对切向摩擦应力的影响(15]。类似影响点火时间以固定气体温度和速度的函数总压强和氧摩尔分数图所示6。摩尔分数高氧化剂,点火时间和降低总压降低而氧化剂摩尔分数较低的压力依赖性是逆转。

3.3。粒子半径的影响

粒子半径对点火时间的影响也进行了研究。在图7,预测的点火时间和粒子半径的粒子的点燃了几个气体温度从2050 K到2200 K,和辐射环境温度设定等于周围气体温度。粒子(半径大小范围从5到20微米的初始氧化层厚度0.1微米)被认为是前预热到1800 K弹射气体流。0.5 MPa的压力,氧气摩尔分数为0.2,水蒸气摩尔分数为零,以及气体流量和硼粒子之间的相对速度是100米/秒。如图7,点火时间减少单调降低粒子半径由于减少粒子mass-to-surface面积比与减少半径。对周围气体温度越高,点火时间短。


图7
点火时间和粒子半径为各种周围气体的温度。
3.4。水蒸气摩尔分数的影响

水蒸气摩尔分数的影响在点火时间不含气的流图所示8。这些计算都表现为10微米的颗粒半径的初始温度1800 K和初始氧化厚度0.1微米。0.5 MPa的压力,氧气摩尔分数为0.2,以及气体流量和硼粒子之间的相对速度是100米/秒。环境温度和有效的环境辐射温度都是2100 K。如图8点火时间随水蒸气摩尔分数的增加而单调减小由于治疗反应的水蒸气扩散限制反应的氧化硼帮助去除氧化层。


图8
氧化层厚度不同水蒸气摩尔分数和时间。

4所示。结论

高速流引起的剪切作用对边界层在液体的表面形成氧化层,这一层的剥离掉占硼粒子的加速点火。结果表明,迁移的液体氧化层在前面half-surface粒子可以派生。衰变的速率是由集成/液体边界层的厚度来确定质量通量离开赤道硼粒子表面。点火模型制定的硼粒子氧化层去除通过考虑边界层剥离机制的结果。研究了各种参数对硼颗粒点火的影响模型。与国王的模型相比,硼颗粒点火模型的制定考虑氧化层去除,结果从边界层剥离机理、氧化层厚度变薄,在粒子点火和降低点火时间。目前的结果支持物理机制通过预热硼粒子在管道中的气体发生器可以点燃火箭在二级室喷射到高速流。

确认

中国的支持赞助委员会(CSC)(批准号51006118)。j . x胡锦涛感谢Benveniste•以色列技术研究所的帮助和鼓励。