兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 2951-2972.doi: 10.12382/bgxb.2023.0675
收稿日期:
2023-07-18
上线日期:
2023-10-18
通讯作者:
基金资助:
YANG Qianshu, XU Han*(), NI Xiaodong, XIONG Kai, GUO Jiamin, WENG Chunsheng
Received:
2023-07-18
Online:
2023-10-18
摘要:
粉末燃料因其能量密度高、稳定性好等优势,作为爆轰推进动力系统的燃料或添加剂,具有广阔的应用前景。根据气固两相粉末爆轰的燃料种类进行分类,并以指导粉末爆轰推进技术应用为导向,回顾粉末燃料在氧化剂氛围以及气体燃料/氧化剂氛围中起爆特性和传播特性的国内外研究进展,并对二者进行理论和工程技术的研究归纳,概括影响气固两相爆轰起爆和传播特性的因素以及重要的研究结论。从应用前景、推进性能、难点与挑战等角度对两相爆轰发动机研究进行综述,在总结发动机数值和实验研究现状的基础上,对未来需要开展的研究工作进行展望。
中图分类号:
杨浅舒, 续晗, 倪晓冬, 熊凯, 郭佳敏, 翁春生. 气固两相粉末燃料爆轰及其推进应用研究进展[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 2951-2972.
YANG Qianshu, XU Han, NI Xiaodong, XIONG Kai, GUO Jiamin, WENG Chunsheng. Progress in the Research of Gas-solid Powder Detonation and Its Propulsion Applications[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(9): 2951-2972.
作者 | 材料 | 当量比 | 质量浓度/ (kg·m-3) | DC-J/ (m·s-1) | dmin/m | λ/m | 临界起爆能量 估计Ecr/MJ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Zhang等[ | 0.1μm球状铝粉/空气(初始压力1.5atm) | 1.30 | 0.60 | 1800 | 0.08 | 0.25 | 2.6 |
Zhang等[ | 2μm球状铝粉/空气(初始压力2.5atm) | 1.60 | 1.25 | 1 750 | 0.62(测得) | 75.7 | |
Borisov等[ | 1μm片状铝粉/空气 | 1.30 | 0.40 | 1900 | 0.12 | 0.38 | 6.6 |
Zhang等[ | 1μm片状铝粉/空气 | 1.61 | 0.50 | 1850 | 0.44(测得) | 7.6 | |
Zhang等[ | 片状铝粉/空气 | 0.90 | 0.29 | 1610 | 无约束空间 | 0.60(测得) | 13.5/44.0(测得) |
Zhang等[ | 2~3μm球状铝粉/空气 | 2.16 | 0.67 | 1700 | 无约束空间 | 0.60(测得) | 34.7 |
Ingignoli等[ | 1μm片状铝粉/氧气 | 1.00 | 1.50 | 1600 | 无约束空间 | 0.10(测得) | 0.32/0.68(测得) |
Veyssiere等[ | 1μm片状铝粉/氧气 | 1.00 | 1.50 | 1600 | 无约束空间 | 0.10(测得) | 0.32/0.69(测得) |
表1 直接起爆临界起爆能量的估算
Table 1 Estimates of critical initiation energy for direct detonation
作者 | 材料 | 当量比 | 质量浓度/ (kg·m-3) | DC-J/ (m·s-1) | dmin/m | λ/m | 临界起爆能量 估计Ecr/MJ |
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Zhang等[ | 0.1μm球状铝粉/空气(初始压力1.5atm) | 1.30 | 0.60 | 1800 | 0.08 | 0.25 | 2.6 |
Zhang等[ | 2μm球状铝粉/空气(初始压力2.5atm) | 1.60 | 1.25 | 1 750 | 0.62(测得) | 75.7 | |
Borisov等[ | 1μm片状铝粉/空气 | 1.30 | 0.40 | 1900 | 0.12 | 0.38 | 6.6 |
Zhang等[ | 1μm片状铝粉/空气 | 1.61 | 0.50 | 1850 | 0.44(测得) | 7.6 | |
Zhang等[ | 片状铝粉/空气 | 0.90 | 0.29 | 1610 | 无约束空间 | 0.60(测得) | 13.5/44.0(测得) |
Zhang等[ | 2~3μm球状铝粉/空气 | 2.16 | 0.67 | 1700 | 无约束空间 | 0.60(测得) | 34.7 |
Ingignoli等[ | 1μm片状铝粉/氧气 | 1.00 | 1.50 | 1600 | 无约束空间 | 0.10(测得) | 0.32/0.68(测得) |
Veyssiere等[ | 1μm片状铝粉/氧气 | 1.00 | 1.50 | 1600 | 无约束空间 | 0.10(测得) | 0.32/0.69(测得) |
图9 不同起爆方式和能量下的波前速度随距离变化[16]
Fig.9 Wave front velocities versus propagation distance with different initiation energiesand different initiation methods[16]
图15 当量比0.8的乙烯/空气和10μm球形铝颗粒混合物中的Ⅰ型弱混合爆轰[50]
Fig.15 Type-Ⅰ weak hybrid detonation in a mixture of ethylenelair with equivalent ratio of 0.8 and 10μm atomized aluminum particles[50]
图16 当量比0.8的乙烯/空气和23μm球形铝颗粒混合物中的Ⅱ型弱混合爆轰[50] Type-Ⅱ weak hybrid detonation in a mixture of ethylenelair with equivalent ratio of 0.8 and 23μm atomized aluminum particles[50]
图18 具有横向浓度梯度的宽度6cm和宽度12cm通道中的爆轰胞格(颗粒质量浓度从下到上壁面线性减小)[77]
Fig.18 Cellular detonation in 6cm and 12cm width channels with transverse concentration gradients(the mass concentration of particles decreases linearly from the lower wall to the upper wall)[77]
图19 氢/空气/铝颗粒混合物爆轰胞格宽度比值λ/λ0随波前速度比值D/D0的变化[67]
Fig.19 Relationship between the detonation cell width ratio λ/λ0 and the wave front velocity ratio D/D0 of the hydrogen/air/aluminum particle mixture[67]
文献来源 | 燃料 | 粒径 | 爆速/(m·s-1) |
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文献[ | 24.7%挥发分、14.2%灰分、56%碳的煤粉/氢气/空气 | 1~7μm | 1100~1860 |
文献[ | 99%碳的煤粉/氢/空气 | 19~39nm | 1200~1700 |
文献[ | 99%碳的煤粉/氢/空气 | 19~39nm | 1300~1600 |
文献[ | 95.53%碳的煤粉/氢/空气 | 20nm | 1000~1400 |
文献[ | 95.58%碳的煤粉/氢/空气 | 20nm~20μm | 1500~1700 |
文献[ | 铝粉/空气 | 0.5μm | 1720 |
文献[ | 糖粉、花生粉、玉米淀粉和碳粉 | 29nm~25μm | 1466~1575 |
表2 粉末燃料RDE实验工况与结果
Table 2 Experimental conditions and results of powdered fuel RDE
文献来源 | 燃料 | 粒径 | 爆速/(m·s-1) |
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文献[ | 24.7%挥发分、14.2%灰分、56%碳的煤粉/氢气/空气 | 1~7μm | 1100~1860 |
文献[ | 99%碳的煤粉/氢/空气 | 19~39nm | 1200~1700 |
文献[ | 99%碳的煤粉/氢/空气 | 19~39nm | 1300~1600 |
文献[ | 95.53%碳的煤粉/氢/空气 | 20nm | 1000~1400 |
文献[ | 95.58%碳的煤粉/氢/空气 | 20nm~20μm | 1500~1700 |
文献[ | 铝粉/空气 | 0.5μm | 1720 |
文献[ | 糖粉、花生粉、玉米淀粉和碳粉 | 29nm~25μm | 1466~1575 |
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doi: 10.12382/bgxb.2023.0022 |
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