鎂-水著火燃燒模型及高溫均相反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型的水下推進(jìn)裝置，其只攜帶水反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)的能量密度及反應(yīng)活性，認(rèn)為金屬鎂是水反應(yīng)金屬燃料的首選。研究鎂/水反應(yīng)機(jī)理是掌握水反應(yīng)金屬燃料與水的反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)，對(duì)于提高該類發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和能量轉(zhuǎn)換效率有重要意義。本文主要進(jìn)行了四個(gè)方面的研究，包括鎂在水蒸氣中著火和燃燒的機(jī)理及模型研

2、究，鎂/水高溫均相化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(jī)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(duì)鎂顆粒著火溫度和著火延遲時(shí)間的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上建立了鎂顆粒在水蒸氣中著火的能量方程，對(duì)能量方程中各控制變量進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到了不同粒徑鎂顆粒在水蒸氣中著火的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并對(duì)不同粒徑的鎂顆粒在水蒸氣中的著火溫度和著火時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

3、>　　 然后研究了鎂在水蒸氣中的燃燒機(jī)理和模型，在可視化氙燈加熱燃燒試驗(yàn)臺(tái)上利用高速照相機(jī)拍攝了鎂顆粒燃燒過程中表面形態(tài)的變化，檢測(cè)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(shí)間，對(duì)不同粒徑鎂顆粒的燃燒時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了鎂顆粒在水蒸氣中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒的物理數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為該過程為受擴(kuò)散控制蒸發(fā)燃燒過程，同時(shí)考慮了氧化鎂冷凝沉積等因素對(duì)燃燒過程的影響。根據(jù)模型計(jì)算得到的鎂顆粒的燃燒時(shí)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(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。同時(shí)對(duì)100μm鎂顆粒在不同環(huán)境溫度中的氧化、著火和燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，
　　 利用量子化學(xué)方法研究了鎂/水高溫均相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，在B3LYP/6-311++G(3df,2p)水平上優(yōu)化了鎂/水反應(yīng)的反應(yīng)物、生成物、過渡態(tài)和中間體的結(jié)構(gòu)，并用G2M(CC2)方法計(jì)算了反應(yīng)通道上各駐點(diǎn)的能量，結(jié)果顯示高

5、溫下鎂/水的均相化學(xué)反應(yīng)，先生成一個(gè)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(yīng)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(yīng)中間體為HMgOH。通過量子化學(xué)估算兩個(gè)過程的活化能分別為48.28 kcal/mol和32.51 kcal/mol。根據(jù)計(jì)算得到反應(yīng)途徑及勢(shì)能面數(shù)據(jù)，采用變分過渡態(tài)理論計(jì)算了高溫下鎂冰均相化學(xué)反應(yīng)速率，并應(yīng)用零曲率隧道法對(duì)反應(yīng)速率進(jìn)行了修正，計(jì)算得到在100

6、0 K～5000 K溫度范圍內(nèi)，鎂/水均相總反應(yīng)速率為k=3.85×10-10×T0.39×exp(-17852/T)。在此基礎(chǔ)上，建立了高溫下鎂/水詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理和相應(yīng)的燃燒數(shù)學(xué)模型，并利用CHEMKIN程序中的OPPDIF模塊對(duì)鎂/水燃燒火焰進(jìn)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(duì)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(jìn)行了分析。并通過高溫氫氧焰試驗(yàn)