Al/AP粉末發動機燃料噴射流場的數值研究

付思源，楊旭東，趙智偉，李 旺，白橋棟

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室,江蘇 南京 210094)

0 引言

Al/AP粉末發動機是一種依靠鋁粉為燃料的新型發動機。粉末燃料儲存于獨立的燃料箱里，發動機工作時，粉末被燃料供應系統送入燃燒室，粉末燃燒產生高溫高壓物質，這種物質經噴管排出產生推力。它具有傳統的液體、固體推進劑發動機的突出優點，其中包括：不易老化、燃燒效率高、燃料易于儲存、流量可控，在軍事與航空航天等領域展現出極大的應用潛力，逐漸變成熱門研究方向。

由于金屬粉末發動機是比較新穎的發動機，其技術具有敏感性，國外對這種發動機的研究報告較少，對粉末發動機研究中的關鍵技術少有詳細介紹。Meyer M L[1]在對Al粉和氧氣作為推進劑的火箭發動機中采用了氣固兩相混合流動的燃料供應裝置。1999年，Goroshin S等[2]提出鎂粉-二氧化碳反應推進系統，鎂粉由活塞推動，被二氧化碳氣流剪切分散送入燃燒室，由于粉末的流化和供應與燃燒分離，可有效防止粉末由于受熱而結團。MILLER T R等[3]對粉末沖壓發動機供粉裝置進行了研究。申慧君等[4]對燃料以鋁粉、鎂粉、硼粉的粉末沖壓發動機的工作性能進行了討論，研究了條件不一樣時對于發動機比沖的效果有何影響。繆萬波等[5]研究了以鋁粉作為燃料時沖壓發動機的不同工作狀態，以及各種狀態下的熱力計算,得到了發動機比沖和工作壓強二者間的定性關系。朱衛兵等[6]對雙脈沖固體火箭發動機內部流場進行了數值計算。孫娜等[7]應用數值計算方法，采用FLUENT計算平臺，在粉末發動機的燃燒室進行兩相流場的數值分析。楊晉朝等[8]對粉末燃料發動機預燃室內鎂粉塵云燃燒過程進行了實驗，建立鎂粉塵云層流的預混燃燒模型。孔龍飛等[9]采用顆粒軌道模型,對鎂基粉末燃料發動機進行三維流場的數值分析,從而比較分析改進之前與改進后發動機內流場的分布情況對粉末發動機在燃燒效率方面的影響。李芳等[10]從粉末火箭發動機工作性能、影響因素等方面出發，對其性能進行了理論計算。李悅等[11]選擇顆粒軌道模型,并對Al/AP粉末狀顆粒在粉末發動機內的燃燒情況與流動分布進行了數值模擬。李芳等[12]利用自行設計的點火實驗裝置對Mg粉/CO2點火燃燒性能進行實驗研究。冷林濤等[13]建立了采用火藥顆粒作為燃料的單組元粉末發動機模型,并應用CE/SE方法對粉末發動機內部流場進行了數值模擬。徐學文等[14]建立了發動機燃燒室-噴管一體化三維流場模型。

國內外學者對于粉末發動機的研究大多以發動機性能及燃燒反應機理為主，并且數值分析多一些，實驗分析相對少。根據金屬粉末發動機工作過程，燃料供應系統的工作特性對燃料在燃燒室中的燃燒有直接影響，在現今已有的發動機的供應系統中，如何均勻穩定地將粉末燃料輸送至燃燒室的問題目前尚未得到很好的解決。

為了進一步優化粉末噴射裝置，改善粉末在發動機燃燒室中的摻混效果，提高發動機的燃燒效率，本文對不同粉末噴射裝置結構的冷態噴射過程進行了數值計算研究，分析了不同條件下粉末在燃燒室內分散及混合效果，分析結論可以當作粉末發動機試驗的理論依據。

1 幾何模型

粉末發動機的分析計算模型如圖1所示。粉末燃料/氧化劑的入口直徑為10 mm，燃燒室直徑60 mm，燃燒室長度200 mm，噴管喉徑8 mm，出口截面直徑為15 mm，收斂角30°，擴張角15°。

圖1 Al/AP粉末發動機計算模型Fig.1 Calculation model of Al/AP powder engine

2 基本假設

在Al/AP粉末流化噴射過程的模擬中，為了簡化計算，提出以下假設：

1)同種顆粒粒徑尺寸統一，輸送過程中無顆粒破碎現象；

2)流化過程中不考慮兩相間的能量傳遞，流態化前后兩相溫度不變；

3)顆粒相不可壓縮，忽略顆粒的體積力。

3 控制方程

粉末發動機內冷態流化時氣相的流動屬于湍流流動，湍流模型中的標準k-ε模型可以對眾多湍流流動進行很好的描述，且可應用于具有回流問題的情況。對于顆粒相的計算可以采用歐拉模型，能夠較好地計算忽略顆粒破碎、無相變過程及化學反應的粉末流化過程。

4 邊界條件與初始條件

入口處邊界條件：Al顆粒直徑50 μm，入口速度為5 m/s；AP顆粒直徑200 μm，入口速度為5 m/s。流化氣選取氮氣，2個入口的流化氣速度均為5m/s，顆粒相體積分數20%。出口邊界條件：出口絕對壓力為101 325 Pa，溫度為300 K。

壁面邊界條件：選取無滑移壁面邊界條件，溫度選取絕熱壁面條件，壓力梯度取0。

初始條件：初始化流場溫度為300 K，燃燒室內氣體速度為0。

5 計算結果及討論

5.1 噴射摻混過程

圖2為噴射0～1 s時刻，每隔0.2 s時燃燒室內的顆粒相質量分數分布。混合物質量分數為區域內顆粒相所占的總質量分數，因為該裝置為非同軸式粉末噴注，如果從兩種不同的粉末的質量分數分布來考慮兩種顆粒的混合情況，因為考慮了粉末的徑向離散，則需要對燃燒室內不同的位置截面上的粉末質量分數進行計算，較為復雜。

圖2 粉末噴射過程Fig.2 Powder injection process

依據顆粒在燃燒室內的噴射過程分析，顆粒的混合位置在燃燒室噴管收斂段的中心軸線上，因此選取軸線上的顆粒相質量分數作為顆粒混合情況的判據。由圖2可知，Al顆粒與AP顆粒在相同條件的流化氣作用下，各個時刻的運動狀態有所差異，粒徑較大的AP顆粒在燃燒室內的運動相較于Al顆粒具有一定的滯后性，各個時刻兩種顆粒在燃燒室內質量分布也有所不同：0 s至0.4 s時間段處于粉末噴射的起始階段，粉末在高速流化氣體的作用下迅速到達燃燒室的尾部。0.4～1.0 s時間段內由于噴管的喉徑較小，收縮角較大，粉末僅有小部分通過噴管直接噴出，大部分粉末沿軸向與徑向向整個燃燒室擴散。

圖3為不同時刻的軸線上Al/AP混合物的質量分數(0～0.02 m為入口段)，由圖3可知：0.2 s時刻，0.15～0.22 m間的混合物質量分數為0.1～0.76，粉末的混合區域處于距離燃燒室入口130 mm至噴管管前；0.4 s時刻兩種粉末混合的氣固兩相流繼續向噴管前移動，位于距離燃燒室入口180 mm處，0.175～0.22 m間的混合物質量分數為0.42～0.75；當t=0.6 s時，Al/AP顆粒混合物向燃燒室內擴散，0.125 m至0.22 m間粉末混合物質量分數為0.03至0.75，混合物所處區間為距離燃燒室入口105 mm至噴管前。當t=1 s時，粉末在燃燒室后半段積聚。

圖3 不同時刻軸向Al/AP混合物質量分數Fig.3 Mass fraction of axial Al/AP mixture at different time

5.2 固相體積分數對粉末流化的影響

為了研究固體體積分數對粉末流化的影響，對不同固體體積分數時燃燒室內顆粒隨時間的分布進行模擬，得到了圖4的結果。圖4為入口Al粉固相體積分數分別為0.1，0.2，0.4時的燃燒室內顆粒相分布。由圖4可知，α=0.1時，粉末的摻混區域集中在噴管的收斂段，由于入口粉末的體積占比較小，粉末到達收斂段在高速氣流的作用下加速噴出，向燃燒室內的擴散作用較弱，Al顆粒的最高質量分數為0.4，AP顆粒最高質量分數為0.5，且0.5 s時刻流化摻混后粉末的分布情況與1 s時相差不大；α=0.2時，燃燒室內顆粒相高濃度區的質量分數增大，Al顆粒的最高質量分數為0.5，AP顆粒的最高質量分數為0.6，顆粒到達噴管收斂段后向燃燒室內擴散，0.5 s時刻顆粒相集中在燃燒室尾部，1 s時刻擴散至燃燒室中部；α=0.4時，粉末流化后各個方向的離散明顯，0.5 s時刻粉末擴散至整個燃燒室，1 s時刻Al顆粒與AP顆粒出現了局部的積聚，直徑較大的AP顆粒集中在燃燒室的中部，而直徑較小的Al顆粒分布在燃燒室的側壁面附近。

圖5為不同的入口固相體積分數下，1 s時刻燃燒室內的顆粒相質量分數沿軸向的分布和軸線上的平均值，可以發現隨著α的增大，顆粒相在燃燒室前中段即燃燒室入口至80 mm處的質量分數越大。當α=0.1時，1 s時刻軸線上的顆粒相質量分數平均值為0.26，這時的燃燒室前中部粉末濃度較低，粉末在高速流化氣吹送下集中在燃燒室尾部，平均質量分數較小；當α=0.2時，1 s時刻顆粒相質量分數平均值為0.46，結合圖4分析，粉末的徑向與軸向離散增強，燃燒室中部的粉末質量分數增加，軸線上的顆粒相質量分數平均值上升；當α進一步增大至0.4時，1 s時刻顆粒相已經充滿整個燃燒室。軸線上顆粒相的平均質量分數也反映了Al/AP的摻混位置隨著α值的增加的變化情況，隨著α的增大，摻混位置逐漸由燃燒室的尾部向頭部移動(圖6)。在普通的入口結構下，隨著Al/AP粉末流化過程中入口固相質量分數增大，粉末的混合區域由燃燒室的尾部漸向燃燒室頭部移動。

圖4 不同入口固相體積分數時的粉末噴射過程Fig.4 Powder injection process with different α

圖5 t=1 s時不同入口固相體積分數時的軸線顆粒相質量分數Fig.5 Axial mass fraction of particle phase with different αwhen t=1 s

圖6 混合區域隨α的變化Fig.6 Change of mixing area with different α

5.3 錐體對粉末流化的影響

為了研究不同的入口結構對粉末流化的影響，本節在粉末噴射出口位置安裝了底面直徑為4 mm、頂角為60°的錐體，錐體的作用是使粉末在進入燃燒室后滯留時間增加，顆粒相的分布區域向燃燒室的頭部移動，增加摻混時間有助于鋁粉的燃燒。安裝錐體后燃燒室內的鋁顆粒相質量分數分布如圖7所示。

由圖7可知，高濃度粉末在燃燒室入口處向兩側離散，燃燒室內Al顆粒與AP顆粒質量分數為0.4～0.5的區域減小，表明粉末在燃燒室內的局部團聚現象減小，離散效果改善，粉末在0.4 s以后在燃燒室內的整體分布變化不大。

圖8為粉末流化過程中軸向Al/AP混合物的質量分數分布，在入口處安裝了錐體以后，兩種粉末的摻混位置移動到入口至距入口30 mm處，該位置區間內的顆粒相質量分數在0.2 s時為0.025～0.275，燃燒室軸線上的粉末分布均勻；在0.6 s時刻后，錐體后的區間內顆粒相的質量分數基本穩定在0.04～0.175之間，粉末分布均勻，粉末流化穩定。

圖7 入口安裝錐體后的粉末流化過程Fig.7 Powder fluidization process after installing the conical structure at the combustor inlet

圖8 軸向Al/AP混合物質量分數Fig.8 Axial mass fraction of Al/AP mixture

6 結論

1)粉末首先在流化氣體的作用下迅速到達燃燒室的尾部，后由于噴管的喉徑較小，僅有一小部分粉末通過噴管直接噴出，大部分粉末沿軸向與徑向向整個燃燒室內擴散。

2)粒徑較大的AP顆粒在燃燒室內的運動相較于Al顆粒在時間上具有一定的滯后性，各個時刻兩種顆粒在燃燒室內質量分布也有所不同。

3)在普通的入口結構下，隨著Al/AP粉末流化過程中入口固相質量分數增大，粉末的混合區域由燃燒室的尾部漸向燃燒室頭部移動。

4)在粉末噴射出口安裝錐體有助于粉末在整個燃燒室內離散，燃燒室頭部的顆粒相質量分數增加，軸線上的平均固相質量分數降低，噴管前的粉末局部積聚現象消失。