在真实的固体火箭发动机环境中，对大质量铝颗粒及其聚集体燃烧过程的欧拉-拉格朗日仿真

《Powder Technology》：Euler-Lagrange simulation of massive aluminum particles and agglomerates combustion in a realistic solid rocket motor environment

基于欧拉-拉格朗日模型，本研究建立了含烟相和氧化铝包的铝颗粒聚合燃烧模型，通过模拟10^8至10^12量级的颗粒燃烧过程，揭示了不同尺寸分布的聚合颗粒对燃烧效率与发动机性能的综合影响。

　　在固体火箭推进剂燃烧过程中，铝粉的燃烧行为是一个复杂且关键的研究领域。铝作为常见的金属添加剂，广泛应用于复合推进剂中，以提高燃烧效率和推力。然而，在燃烧过程中，铝颗粒往往会因热效应和物理相互作用而形成较大的聚集体，这一现象对燃烧过程的动态特性产生深远影响。这些聚集体不仅改变了铝粉的燃烧模式，还对整个燃烧室内的流场结构和燃烧效率造成显著影响。因此，为了准确预测固体火箭发动机的性能，有必要深入研究铝颗粒聚集体的燃烧机制，并将其纳入计算模型之中。

铝颗粒在燃烧过程中会经历一系列物理和化学变化。首先，由于铝的物理化学特性，铝粉表面会自然形成一层氧化铝（Al?O?）的氧化层，其厚度通常在2到4纳米之间。这一氧化层在燃烧初期起到了一定的屏障作用，限制了氧化剂与铝颗粒之间的接触。然而，随着燃烧温度的升高，氧化层会逐渐被破坏，使得铝颗粒开始熔化并形成液态滴。随后，这些液态滴会在燃烧过程中进一步燃烧，生成铝氧化物烟雾。整个过程不仅涉及铝颗粒本身的燃烧，还受到氧化剂浓度、燃烧室压力、温度场分布以及颗粒间相互作用等因素的共同影响。

在固体火箭发动机中，铝颗粒的燃烧通常不是以单个颗粒的形式进行，而是以聚集体的形式出现。这些聚集体的尺寸通常在100到200微米之间，形成于燃烧表面附近。由于聚集体的尺寸较大，其燃烧行为与单个铝颗粒存在明显差异。例如，聚集体的燃烧速率可能受到其内部结构和颗粒间相互作用的制约，而单个颗粒则更容易受到周围气体流动和热传导的影响。此外，聚集体的燃烧还会导致燃烧产物中氧化铝烟雾的生成，这不仅影响了燃烧室内的流场结构，还可能对发动机的燃烧稳定性产生不利影响。

为了准确模拟铝颗粒聚集体的燃烧过程，研究人员通常采用多相反应流模型。其中，Euler-Lagrange方法因其能够有效处理离散颗粒相与连续气体相之间的相互作用，成为研究铝颗粒燃烧的重要工具。在该方法中，气体相被当作连续介质进行求解，而颗粒相则被视为离散的个体，每个颗粒的轨迹和状态都独立进行计算。这种方法能够捕捉到颗粒在燃烧过程中的空间分布特性，以及它们与周围气体之间的热交换和化学反应。此外，Euler-Lagrange方法还可以结合氧化铝烟雾相和氧化铝帽的模型，以更全面地描述铝颗粒燃烧的全过程。

在实际的固体火箭发动机中，铝颗粒的燃烧过程往往受到多种因素的影响。例如，燃烧室内的压力和温度场分布会直接影响铝颗粒的熔化和氧化速率。此外，颗粒的初始尺寸和分布也对燃烧行为产生重要影响。研究表明，不同尺寸的铝颗粒在燃烧过程中表现出不同的燃烧特性，而这些特性在聚集体燃烧的情况下会进一步复杂化。因此，在构建铝颗粒聚集体燃烧模型时，必须充分考虑这些因素，并通过数值模拟手段进行验证。

为了验证所构建的铝颗粒聚集体燃烧模型的准确性，研究人员通常会结合实验数据进行对比分析。例如，在某些研究中，通过激光点火和推进剂丝条燃烧实验，可以在特定的燃烧室压力下测量铝颗粒的初始等效直径和燃烧特性。这些实验数据可以作为模型验证的基础，帮助研究人员评估模型在预测铝颗粒燃烧行为方面的有效性。同时，通过调整模型参数，可以进一步优化模型，使其更符合实际燃烧条件。

在模型的构建过程中，研究人员还特别关注了铝颗粒聚集体的动态行为。由于铝颗粒在燃烧过程中会不断熔化、氧化和破碎，其运动轨迹和状态变化需要被精确捕捉。为此，模型中引入了氧化铝烟雾相和氧化铝帽的描述，以更真实地反映铝颗粒在燃烧过程中的物理和化学变化。这些模型不仅能够预测铝颗粒的燃烧速率，还能分析燃烧产物的分布情况，从而为发动机性能的优化提供理论依据。

此外，研究还发现，铝颗粒聚集体的燃烧特性受到其尺寸分布的影响。不同的尺寸分布会导致燃烧过程中颗粒间的相互作用发生变化，进而影响燃烧效率和燃烧稳定性。因此，在模型中，研究人员通常会对不同尺寸的聚集体进行模拟，并分析其对燃烧过程的影响。这些分析结果表明，识别和量化不同尺寸聚集体在燃烧过程中的作用，对于提高模型的预测能力具有重要意义。

在实际应用中，铝颗粒聚集体燃烧模型不仅有助于理解燃烧过程的物理机制，还能为发动机的设计和优化提供指导。例如，通过模拟不同尺寸和分布的聚集体燃烧情况，可以预测燃烧室内的温度场和流场分布，从而优化推进剂配方和燃烧室结构。此外，模型还可以用于研究燃烧不稳定性的形成机制，以及如何通过调整燃烧条件来减少不稳定现象的发生。

总的来说，铝颗粒聚集体的燃烧行为是一个涉及多物理场耦合的复杂过程，需要通过先进的数值模拟方法进行研究。Euler-Lagrange框架结合氧化铝烟雾相和氧化铝帽模型，为准确预测铝颗粒聚集体的燃烧特性提供了有力的工具。通过对不同尺寸和分布的聚集体进行模拟和分析，研究人员能够更深入地理解燃烧过程的动态特性，并为固体火箭发动机的性能优化和设计改进提供科学依据。这一研究不仅推动了燃烧理论的发展，也为实际工程应用提供了重要的参考价值。