燃烧室中推进剂燃烧增压与气态产物的数值与实验研究：几何构型对燃烧动力学的影响

为解决固体推进剂环保处理中理论研究和实验数据不足的问题，研究人员通过实验测量和数值模拟相结合的方法，系统研究了AP/HTPB含铝推进剂在燃烧室内的燃烧增压特性和气态产物分布规律。研究发现燃烧表面几何构型（角度和数量）会显著影响压力上升速率和H2/CO/HCl等产物的浓度分布，建立的14组分4步反应模型为推进剂可控燃烧处理提供了理论依据。该成果发表于《Results in Engineering》，为废弃推进剂绿色处置提供了关键技术支撑。

　　

固体推进剂的环保处理一直是航天领域的重大挑战。传统露天燃烧法因环境污染大已被淘汰，而新兴的降解技术又面临成本高、效率低的困境。在此背景下，燃烧室可控燃烧技术因其平衡环保性和经济性的优势成为研究热点，但燃烧室内复杂的压力变化规律和产物生成机制尚不明确。特别是含铝推进剂在受限空间燃烧时，铝颗粒与H₂O/CO₂的二次反应会显著改变燃烧特性，这使得传统理论模型难以准确预测实际燃烧行为。

为解决这一难题，研究人员开展了AP/HTPB含铝推进剂的燃烧特性研究。通过设计不同燃烧表面积（100-300 mm²）的推进剂样品，在密封燃烧室内结合高精度压力传感器和GC9790II气相色谱仪，首次系统测量了低压环境下燃烧压力曲线和H₂/CO/CO₂/HCl等产物的分布特征。同时建立包含14种组分和4步反应的Eulerian-Lagrangian模型，采用Standard k-ε湍流模型和SIMPLE算法，对燃烧表面角度（90°-180°）和数量（2-8个）的影响进行数值模拟。

在研究方法上，团队创新性地采用三重复实验设计确保数据可靠性，通过外标法量化气相产物浓度。数值模拟中特别关注了铝颗粒与气相组分的相互作用，将复杂的AP分解简化为NH₃+HClO₄蒸发和H₂O/O₂/HCl/N₂生成的两条路径，HTPB裂解则简化为C₄H₆生成。这种简化在保证计算精度的前提下大幅提升了模拟效率。

4.1 验证与验证
实验测得SCP-1/2/3样品的最大压力上升值分别为0.321/0.311/0.941 MPa，呈现典型的S型压力曲线。通过理想气体定律结合燃速方程推导发现，压力上升速率与燃烧表面积呈非线性关系，这是由燃烧中期正反馈效应导致的。数值模拟显示温度场呈中心高、边缘低的分布特征，CO₂因参与铝燃烧反应而集中分布于燃烧表面两侧，而H₂/CO/HCl则随对流扩散广泛分布。

4.2 燃烧表面角度的影响
当燃烧表面角度从180°减小至120°时，R5反应速率从8.976增至9.837 kgmol/(m³·s)，H₂浓度提升23.6%，这是因为适中角度产生的涡流改善了混合效率。但角度继续减至90°时，反应速率反而下降9.8%，表明过小角度引发的流动失稳会抑制燃烧。对应的燃烧室压力也呈现先增后降趋势，峰值出现在120°工况。

4.3 燃烧表面数量的影响
将燃烧表面从2个增至8个（单面面积相应减小）时，R5反应速率线性提升53%，这是因为小尺度涡流增强了铝颗粒与氧化剂的接触。H₂体积分数从15.2%增至18.7%，燃烧室平均温度上升12.4%，最终导致压力持续升高。温度场分布虽保持相似，但多燃烧面工况下出现了多个高反应活性核心区。

该研究首次揭示了燃烧表面几何特性对AP/HTPB推进剂燃烧行为的调控机制：适中的表面角度（120°）能优化流动混合，而增加表面数量则通过增强湍流提升反应强度。所建立的数值模型与实验偏差小于15%，成功预测了压力变化和产物分布规律。特别是发现铝燃烧反应R5对几何参数最为敏感，这为含铝推进剂的安全处置提供了关键设计依据。

研究也存在若干待改进之处：当前二维模型难以反映实际堆叠燃烧的复杂形态，未来需发展三维多相流模型；对铝颗粒相变过程的描述仍需细化，包括粒径演化和凝相产物相互作用等。这些改进将进一步提升模型对实际工程场景的预测能力，推动固体推进剂处理技术向更高效、更环保的方向发展。