鎂顆粒點火與燃燒過程中表面氧化物作用機理研究

鎂基金屬燃料的能量主要是通過燃氣流中鎂顆粒的燃燒釋放出來，而金屬鎂在二氧化碳和水蒸氣中的燃燒性能在很大程度上影響著發(fā)動機的性能，因此研究鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣中點火燃燒特性可以為推進劑高效燃燒提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。 在總結(jié)國內(nèi)外金屬顆粒點火燃燒試驗研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計并改進了鎂顆粒點火燃燒試驗系統(tǒng)。采用高能氙燈輻射點火系統(tǒng)、高速攝影儀、微距鏡頭、紅外測溫儀、光譜儀、極細鎢錸熱電偶等裝置得到了顆粒點火燃燒過程中鎂顆粒表面的細節(jié)變化和火焰特征以及顆粒溫度變化歷程，獲得了顆粒燃燒時的光譜信息，確定了燃燒階段的主要氣相組分。探究了環(huán)境壓強對鎂顆粒點火和燃燒過程的影響，分析了燃燒產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和成份。 開展了二氧化碳和水蒸氣中鎂顆粒著火過程的理論和試驗研究。從能量和受力兩個角度分析了鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣氣體氛圍中的點火過程，綜合鎂顆粒能量平衡和氧化層受力關(guān)系，建立了鎂顆粒點火模型。進行了鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣中的著火試驗，觀察到了著火前顆粒表面形態(tài)變化，結(jié)合理論探索了其著火機理，獲得了鎂顆粒的著火溫度。采用數(shù)值計算方法，開展了顆粒粒徑和環(huán)境溫度對點火延遲時間影響的研究。 開展了二氧化碳和水蒸氣中鎂顆粒燃燒過程的理論和試驗研究。以顆粒內(nèi)部金屬表面、氧化層外表面、火焰面和環(huán)境無窮遠為邊界，將顆粒周圍空間劃分為三個區(qū)域，根據(jù)顆粒氧化層尺寸和火焰尺寸之間的關(guān)系，將顆粒燃燒過程劃分為兩個階段，同時考慮氣相燃燒反應和顆粒表面多相化學反應，建立了鎂顆粒三分區(qū)燃燒模型。進行了鎂顆粒在水蒸氣中的燃燒試驗，觀察到了燃燒過程中氧化鎂在顆粒表面凝結(jié)現(xiàn)象和氣相燃燒火焰特征，分析了燃燒產(chǎn)物的物理結(jié)構(gòu)特征。通過數(shù)值計算，分析了環(huán)境溫度等對顆粒燃燒的影響。

鎂以其在能量密度、點火和燃燒性能方面的綜合優(yōu)勢，在水沖壓發(fā)動機、粉末燃料沖壓發(fā)動機和固體燃料超燃沖壓發(fā)動機等推進裝置中具有廣泛應用前景。鎂顆粒的燃燒類似于碳氫燃料的液滴蒸發(fā)燃燒，但鎂顆粒表面氧化物的存在使得鎂顆粒的點火與燃燒過程復雜得多，而對于表面氧化物物理化學變化過程的很多細節(jié)還不清楚。本項目以鎂顆粒為研究對象，開展表面氧化物對鎂顆粒點火與燃燒過程作用機理研究。采用先進光學測試技術(shù)，建立基于表面氧化物觀測的金屬顆粒點火與燃燒試驗研究方法，開展不同工況條件下鎂顆粒點火與燃燒試驗；研究環(huán)境壓強、溫度、外部氣流剪切、氧化劑種類與濃度、顆粒賦存形態(tài)等因素對鎂顆粒點火表面氧化物層消退過程，及燃燒表面氧化物沉積過程的影響；建立考慮表面氧化物作用的鎂顆粒點火與燃燒模型及數(shù)值仿真方法，分析鎂顆粒點火與燃燒過程控制機制，探討有效促進鎂顆?？焖冱c火與燃燒的方法，為研究鎂顆粒在發(fā)動機中的點火與燃燒過程奠定基礎(chǔ)。

獲2019年度國家自然科學獎二等獎

1月10日上午，2019年度國家科技獎勵大會在人民大會堂隆重舉行。中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心賀泓院士主持的“燃燒廢氣中氮氧化物催化凈化基礎(chǔ)研究”項目榮獲國家自然科學二等獎 。大氣中氮氧化物（NOx）是造成灰霾、光化學煙霧的重要原因。“燃燒廢氣中氮氧化物催化凈化基礎(chǔ)研究”項目針對移動源和固定源燃燒廢氣NOx排放控制開展系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了氨選擇性催化還原NOx（NH3-SCR）催化劑雙位點緊密耦合的普適性規(guī)律，創(chuàng)制了高效NH3-SCR催化劑新體系；發(fā)現(xiàn)了HC-SCR關(guān)鍵反應中間體與普適機理，提出了實現(xiàn)柴油-SCR的新途徑；發(fā)現(xiàn)電子/結(jié)構(gòu)助劑調(diào)變N2O分解規(guī)律，確立了N2O分解催化劑設(shè)計新原則。8篇代表性論文他引1703次，項目成果躋身本領(lǐng)域國際先進行列，為我國NOx減排做出實質(zhì)性貢獻。該項目完成單位為中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心；主要完成人為賀泓、余運波、單文坡、劉福東、徐文青 。2100433B

含能顆粒床破碎與顆粒間就力的實驗測定，破碎誘發(fā)異常燃燒的實驗研究，考慮顆粒床破碎的多維多相反應流體動力學模型及其數(shù)值模擬。該課題涉及燃燒學、多相流體力學與彈塑性力學的交叉學科，成果可應用于能源、航空航天、化工、國防、環(huán)境工程等技術(shù)領(lǐng)域，對于提高我國燃燒器安全運動具有重要意義。