在具有努森转变效应的强制对流中，对硼粒子燃烧过程进行建模与研究

《Combustion and Flame》：Modeling and investigation of boron particle combustion in forced convection with Knudsen transition effects

　　

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  一个二维多物理场框架整合了克努森热传递修正公式，以捕捉极端强制对流条件下的宏观传输不对称性。
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  克努森过渡现象抑制了对流热传输，从而在粒子烧失前维持了长时间的高温能量平衡。
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  一个连续的无量纲关联系数量化了环境温度和氧气浓度对流动诱导传输增强的不同影响。

引言

使用镁、铝和硼等能量粉末作为燃料，粉末推进的超燃冲压发动机具有较高的比冲、可控的燃料流动以及简单的结构。此外，它们避免了传统碳氢化合物燃料系统中常见的高温解离和老化问题[[1], [2], [3], [4]]。在这些燃料中，硼的燃烧热值（质量热值和体积热值）最高（分别为58.28 MJ/kg和136.38 MJ/dm3）[5]，这使其在高能推进系统中的应用具有巨大潜力。然而，点火困难和低燃烧效率仍然是阻碍硼基粉末推进技术发展的关键限制因素。

目前已经进行了大量的实验和建模研究，以了解静止条件下的硼燃烧行为。经典的零维点火-燃烧模型（如King模型和PSU模型）已被广泛采用，并扩展到包含O?和H?O的竞争性反应动力学[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。在实际的超燃冲压发动机燃烧室中，由于硼粒子与周围气体之间的相对速度很高，因此会发生强烈的强制对流，打破了球形对称性，形成了轴对称的燃烧场。方等人[16]提出了一个包含气相流动、扩散和单一全局表面反应的硼燃烧模型，并发现随着雷诺数的增加，质量燃烧率也随之增加。他们进一步引入了详细的化学动力学模型来分析BO、BO?和B?O?等额外物质的形成和传输特性[17]。何等人[18]后来建立了一个基于PSU的非稳态模型，考虑了强制对流的影响，并同样证明了硼-氧反应速率随雷诺数的增加而增加。

尽管取得了进展，现有的强制对流模型仍基于连续介质假设，而这对于尺寸与气体平均自由程相当的小颗粒是不成立的。在这种条件下，克努森过渡效应会改变热传递。最近也有研究讨论了燃烧金属颗粒时的类似过渡区域热传递和质量传递现象，包括金属颗粒的热失控、克努森过渡区域内的细铁颗粒点火以及表面化学吸附的分子动力学分析[[19], [20], [21]]。最近的零维模型[14,15]通过朗缪尔层修正考虑了这一效应，但忽略了轴对称流动和表面斯特凡流动，而这两种机制在超燃冲压发动机中非常重要。

本研究聚焦于初始喷射阶段的极端燃烧环境。基于PSU硼燃烧模型，开发了一个包含克努森过渡热传递修正的强制对流燃烧模型，并采用了动态网格技术来捕捉气体-颗粒相互作用。该模型结合了：(1) 来自强制对流框架的轴对称流动和表面斯特凡流动；(2) 考虑克努森过渡效应的过渡热传递修正；(3) 涉及硼-氧和硼-蒸汽反应的表面化学过程，以及熔化、蒸发和沸腾现象。这种方法为在理想化的高滑移条件下的基础颗粒尺度传输研究提供了一个机制框架，旨在分离强制对流和稀薄效应对硼燃烧的联合作用。

章节摘要

模型与方法

为了简化硼颗粒的燃烧建模，采用了以下假设：

• (1)
  由于颗粒的Biot数远小于1，颗粒内部的熱传递是瞬时的。
• (2)
  将颗粒视为球体，忽略其不规则形状。
• (3)
  由于模型将颗粒固定在空间原点，并且不计算宏观轨迹或空气动力阻力，因此不应用动量滑移修正。
• (4)
  克努森过渡修正

物理和数值模型的验证

在本研究中，方程(4)、(6)和(11)的计算结果通过参考文献[31]中的数据进行验证，其中计算流体动力学（CFD）用于连续状态热传递，直接模拟蒙特卡洛（DSMC）用于过渡和自由分子区域。努塞尔特数（$N{u}_{\mathrm{p}}$）用于表征颗粒与环境之间的无量纲对流热传递，其定义为： Nup = q˙conv 2πrp2λ∞?T|p

选定的验证工作条件参数包括...

结论

开发了一种包含克努森过渡热传递修正的强制对流硼颗粒燃烧模型，并通过组件级验证案例对其进行了评估，以定量研究高焓流中极端滑移条件下的颗粒尺度燃烧过程。

CRediT作者贡献声明

李广义：概念化、方法论、研究、形式分析、初稿撰写、审稿与编辑。 何端阳：研究、验证、审稿与编辑。 孙哲：方法论、研究、审稿与编辑。 赵 majie：概念化、方法论、监督、资金获取、审稿与编辑。 史宝路：研究、监督、审稿与编辑。 王宁飞：研究、监督、审稿与编辑。

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