基于光學(xué)拍攝技術(shù)的含鋁固體推進(jìn)劑燃面處鋁團(tuán)聚研究

1、摘要摘要固體推進(jìn)劑中的鋁顆粒在推進(jìn)劑燃燒表面累積、融化、團(tuán)聚，從而形成更大的粒子，最終離開燃燒表面。鋁在推進(jìn)劑燃面處團(tuán)聚形成的團(tuán)聚物是發(fā)動機(jī)工作過程中鋁燃燒的初始反應(yīng)物。燃面處團(tuán)聚物的粒度分布會影響燃燒室中鋁的燃燒過程，并對最終燃燒產(chǎn)物的凝相顆粒尺寸有很大影響。大尺寸的初始團(tuán)聚物還會在流動燃燒過程中帶來兩相流損失。而燃面處團(tuán)聚物的粒度分布又與固體推進(jìn)劑的配方有關(guān)。因此，研究推進(jìn)劑燃面處鋁的團(tuán)聚過程，揭示燃面處鋁團(tuán)聚過程的機(jī)理、影響因素和

2、影響規(guī)律，建立可以預(yù)測團(tuán)聚物粒度分布的團(tuán)聚模型非常有意義。本文基于高速相機(jī)和長焦顯微鏡頭組成的光學(xué)拍攝系統(tǒng)，建立了適合于5MPa下研究固體推進(jìn)劑燃面處團(tuán)聚過程的的光學(xué)拍攝實驗方法。在3MPa和5MPa下清晰地拍攝到了燃面處鋁的團(tuán)聚過程。使用圖像處理技術(shù)，獲得了燃面處團(tuán)聚物的直徑?；诖藢嶒炏到y(tǒng)和實驗研究方法，對不同壓強(qiáng)和不同含鋁固體推進(jìn)劑配方，獲得了燃速、壓強(qiáng)、鋁的初始粒徑和RDX等對燃面處鋁團(tuán)聚過程的影響規(guī)律。分析了燃面處團(tuán)聚過程和燃

3、面處團(tuán)聚物融合過程的機(jī)理。最后建立了可以預(yù)測燃面處團(tuán)聚物粒度分布的團(tuán)聚模型，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。本文的主要研究工作和結(jié)果如下：（1）建立了適合于5MPa下含鋁固體推進(jìn)劑燃面處鋁團(tuán)聚過程研究的光學(xué)拍攝實驗方法。使用合適透射率的中性密度濾波片，成功解決了推進(jìn)劑高壓燃燒發(fā)光過強(qiáng)導(dǎo)致相機(jī)過度曝光的問題，并提出了一個在實驗中可以近似預(yù)估和選擇合適透射率中性密度濾波片的計算方法。（2）實驗研究了相同壓強(qiáng)條件下不同燃速對燃面處鋁團(tuán)聚過程的影響。結(jié)

4、果表明，隨著推進(jìn)劑燃速的增大，燃面處團(tuán)聚物質(zhì)量平均直徑Dagg減小，低燃速條件下的初始團(tuán)聚物粒度分布范圍小于高燃速下的。燃速的增大縮短了燃面處團(tuán)聚物在燃面的滯留時間，導(dǎo)致了燃面處鋁團(tuán)聚程度的降低。（3）保證推進(jìn)劑燃速基本不變和配方不變，實驗研究了壓強(qiáng)對燃面處鋁團(tuán)聚過程的影響。實驗結(jié)果表明，壓強(qiáng)的改變并沒有導(dǎo)致燃面處團(tuán)聚物的粒度分布和質(zhì)量平均直徑Dagg有明顯的變化，壓強(qiáng)的變化對于相同直徑的團(tuán)聚物在燃面上的滯留時間沒有明顯差異。壓強(qiáng)對燃面

5、處鋁的團(tuán)聚過程沒有明顯的直接的影響。（4）保證壓強(qiáng)和燃速不變，對鋁的初始粒徑為DAl=16μm、29μm和36μm三個配0方進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)DAl=29μm的推進(jìn)劑燃面處鋁的團(tuán)聚程度最大，Dagg最大。燃面處0團(tuán)聚物在燃面的滯留時間沒有隨鋁初始粒徑的變化而有明顯變化。分析認(rèn)為，燃面處鋁團(tuán)聚物的粒度分布并不受配方中鋁初始粒徑的變化直接影響，而是由推進(jìn)劑固相微觀結(jié)構(gòu)中鋁粒子的空間分布和燃面處燃燒環(huán)境綜合影響決定。IAbstractAbstr

6、actAluminumparticlesinsolidpropellantsaccumulatemeltagglomerateontheburningsurfacetherebyfmalargeparticlefinallyleavetheburningsurface.Theagglomeratesontheburningsurfacearetheinitialprocessofaluminumcombustioninthesolidr

7、ocketmot.Thesizedistributionoftheagglomeratesaffectsthecombustionprocessofaluminuminthecombustionchamberithasagreatinfluenceonthesizeofthefinalcombustionproducts.Alsothelargeagglomeratescancausetwophaseflowlossintheflowc

8、ombustionprocess.Howevertheagglomeratesizedistributiononburningsurfaceisrelatedtothefmulationofthesolidpropellant.Therefetheresearchofthealuminumagglomerationonburningsurfacecanbehelpfultounderstthemechanismthekeyfactsru

9、lesoftheagglomeration.Itiscriticalimptanttoestablishtheagglomerationmodeltopredicttheparticlesizedistributionofagglomeration.Inthisthesistheexperimentalsystemtostudytheagglomerationprocessunderhighpressureisestablishedin

10、whichtheopticalcameramethodwithahighspeedcameraalongdistancemicroscopeareadopted.Byimageprocessingtechnologythediameteroftheinitialagglomerationsisextractedfromtheimage.Basedontheexperimentalsystemexaminationmethodsburni

11、ngratepressureinitialaluminumaverageparticlediameterRDXthefactsthatinfluencethealuminumagglomerationprocessarestudiedanalyzed.Themechanismoftheagglomerationthecoalesceprocessoftheagglomeratesonburningsurfaceareobtainedas

12、well.Finallytheagglomerationmodelisestablishedtopredictthediameterdistributionoftheagglomeratesthesimulationresultsarecomparedtotheresultsoftheexperiments.Themainresearchwkresultsofthisthesisareasfollows:(1)Anopticalmeth

13、odisdevelopedwhichissuitablefinvestigatingtheagglomerationontheburningsurfaceunder5MPa.Theuseofasuitabletransmittanceoftheneutraldensityfiltersuccessfullysolvestheproblemofexcessiveexposureoftheimagecausedbytheburningoft

14、hepropellant.acalculationmethodofthetransmittanceoftheneutraldensityfilterispresented.Thismethodcanbeusedfapproximatelyestimationionintheexperiment.(2)Theeffectofburningrateonthealuminumagglomerationisstudiedunderthesame

15、pressure.Theagglomeratediameterrangeoflowburningrateislessthanthatofhighburningrate.Withtheincreaseofburningratetheaveragemassdiameteroftheagglomerates(D)decreases.Theincreaseofburningratealsoshtenstheresidencetimeaggoft

16、heagglomerateontheburningsurface.Itdecreasestheagglomerationontheburningsurface.(3)Theeffectofthepressureonagglomerationarestudiedwhiletheburningratethepropellantfmulationsarekeptconstant.Experimentalresultsshowthatthech