鎂-水著火燃燒模型及高溫均相反應機理研究.pdf

1、水沖壓發(fā)動機是一種新型的水下推進裝置，其只攜帶水反應金屬燃料，并以外界環(huán)境中的海水為主要氧化劑。通過金屬燃料與水反應產(chǎn)生發(fā)動機所需推力，因此具有較高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度。綜合比較各種金屬與水反應的能量密度及反應活性，認為金屬鎂是水反應金屬燃料的首選。研究鎂/水反應機理是掌握水反應金屬燃料與水的反應機理的基礎，對于提高該類發(fā)動機燃燒效率和能量轉(zhuǎn)換效率有重要意義。本文主要進行了四個方面的研究，包括鎂在水蒸氣中著火和燃燒的機理及模型研

2、究，鎂/水高溫均相化學反應機理研究，鎂鋁合金在水蒸氣中燃燒特性研究。
　　 本文首先研究了鎂在水蒸氣中的著火機理及模型，在高溫管式爐中考察了加熱速率、水蒸氣濃度和粒徑等因素，對鎂顆粒著火溫度和著火延遲時間的影響規(guī)律。在此基礎上建立了鎂顆粒在水蒸氣中著火的能量方程，對能量方程中各控制變量進行分析簡化，根據(jù)實驗結(jié)果計算得到了不同粒徑鎂顆粒在水蒸氣中著火的動力學參數(shù)，并對不同粒徑的鎂顆粒在水蒸氣中的著火溫度和著火時間進行了預測。

3、>　　 然后研究了鎂在水蒸氣中的燃燒機理和模型，在可視化氙燈加熱燃燒試驗臺上利用高速照相機拍攝了鎂顆粒燃燒過程中表面形態(tài)的變化，檢測了燃燒火焰的發(fā)射光譜，通過燃燒火焰中鎂、氧化鎂等物質(zhì)的特征譜線確定了顆粒的燃燒時間，對不同粒徑鎂顆粒的燃燒時間進行測量。在實驗的基礎上，建立了鎂顆粒在水蒸氣中準穩(wěn)態(tài)燃燒的物理數(shù)學模型，認為該過程為受擴散控制蒸發(fā)燃燒過程，同時考慮了氧化鎂冷凝沉積等因素對燃燒過程的影響。根據(jù)模型計算得到的鎂顆粒的燃燒時間，常

4、壓下與直徑的2.5次冪近似成正比，高壓下與直徑的1.5次冪近似成正比，并與水蒸氣濃度的0.9冪成反比關系，與實驗結(jié)果基本吻合。同時對100μm鎂顆粒在不同環(huán)境溫度中的氧化、著火和燃燒過程進行了數(shù)值模擬，
　　 利用量子化學方法研究了鎂/水高溫均相化學反應機理，在B3LYP/6-311++G(3df,2p)水平上優(yōu)化了鎂/水反應的反應物、生成物、過渡態(tài)和中間體的結(jié)構(gòu)，并用G2M(CC2)方法計算了反應通道上各駐點的能量，結(jié)果顯示高

5、溫下鎂/水的均相化學反應，先生成一個非平面結(jié)構(gòu)的鎂/水加合物Mg·OH2，其可以通過氫原子解離途徑生成最終產(chǎn)物，反應中間體為MgOH和H;也可以通過氫原子轉(zhuǎn)移途徑生成最終產(chǎn)物，反應中間體為HMgOH。通過量子化學估算兩個過程的活化能分別為48.28 kcal/mol和32.51 kcal/mol。根據(jù)計算得到反應途徑及勢能面數(shù)據(jù)，采用變分過渡態(tài)理論計算了高溫下鎂冰均相化學反應速率，并應用零曲率隧道法對反應速率進行了修正，計算得到在100

6、0 K～5000 K溫度范圍內(nèi)，鎂/水均相總反應速率為k=3.85×10-10×T0.39×exp(-17852/T)。在此基礎上，建立了高溫下鎂/水詳細的反應機理和相應的燃燒數(shù)學模型，并利用CHEMKIN程序中的OPPDIF模塊對鎂/水燃燒火焰進行模擬分析。
　　 最后研究了鎂鋁合金在水蒸氣中的燃燒特性，分別對金屬鎂、鋁以及鋁含量分別為40％、50％和60％的三種鎂鋁合金粉末的理化特性和物質(zhì)組成進行了分析。并通過高溫氫氧焰試驗