基于光學(xué)拍攝技術(shù)的含鋁固體推進劑燃面處鋁團聚研究

1、摘要摘要固體推進劑中的鋁顆粒在推進劑燃燒表面累積、融化、團聚，從而形成更大的粒子，最終離開燃燒表面。鋁在推進劑燃面處團聚形成的團聚物是發(fā)動機工作過程中鋁燃燒的初始反應(yīng)物。燃面處團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。大尺寸的初始團聚物還會在流動燃燒過程中帶來兩相流損失。而燃面處團聚物的粒度分布又與固體推進劑的配方有關(guān)。因此，研究推進劑燃面處鋁的團聚過程，揭示燃面處鋁團聚過程的機理、影響因素和

2、影響規(guī)律，建立可以預(yù)測團聚物粒度分布的團聚模型非常有意義。本文基于高速相機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下研究固體推進劑燃面處團聚過程的的光學(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聚過程。使用圖像處理技術(shù)，獲得了燃面處團聚物的直徑?；诖藢嶒炏到y(tǒng)和實驗研究方法，對不同壓強和不同含鋁固體推進劑配方，獲得了燃速、壓強、鋁的初始粒徑和RDX等對燃面處鋁團聚過程的影響規(guī)律。分析了燃面處團聚過程和燃

3、面處團聚物融合過程的機理。最后建立了可以預(yù)測燃面處團聚物粒度分布的團聚模型，并與實驗結(jié)果進行了對比。本文的主要研究工作和結(jié)果如下：（1）建立了適合于5MPa下含鋁固體推進劑燃面處鋁團聚過程研究的光學(xué)拍攝實驗方法。使用合適透射率的中性密度濾波片，成功解決了推進劑高壓燃燒發(fā)光過強導(dǎo)致相機過度曝光的問題，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條件下不同燃速對燃面處鋁團聚過程的影響。結(jié)

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

5、處鋁的團聚過程沒有明顯的直接的影響。（4）保證壓強和燃速不變，對鋁的初始粒徑為DAl=16μm、29μm和36μm三個配0方進行了實驗，發(fā)現(xiàn)DAl=29μm的推進劑燃面處鋁的團聚程度最大，Dagg最大。燃面處0團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