多组分燃料替代模拟硝胺危化品燃烧特性的新方法研究

作     者：赵安文 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭耸

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：硝胺危化品 中间产物 多组分替代燃料 燃烧参数预估 

摘      要：硝胺作为分子结构含有氮-硝基(N-NO)官能团的固相爆炸性危险化学品,由于其发生燃烧反应时能够释放出大量的气体和热能而被广泛应用于身管武器发射和固体火箭推进。硝胺物质的燃烧反应属于固、液、气三相反应体系,特别是熔融液层内存在的多相耦合现象,导致现有燃烧模型无法精确预估硝胺危险化学品的燃烧特性。本文基于气态燃料宏观燃烧特性取决于其反应中间产物这一规律,通过硝胺高温热解实验,以及热解中间产物分布近似的多组分替代燃料追溯研究,成功构建起能够精确模拟硝胺危险化学品高温燃烧特性的多组分气相替代燃料模型。不仅有效地避开了关于熔融反应区的研究困局,还提出一个用于模拟预估固相危险化学品燃烧特性的新方法。首先,实验检测及定性确认了RDX、HMX和CL-20高温反应流场内存在的重要反应中间产物及基团。通过TG-DSC-FTIR-MS联用系统检测到了RDX、HMX和CL-20热解气相产物中均包含HCN、HNO、HCO、CHO、NO、NO、NO、NH、NH和NCO等重要中间产物及基团。其次,基于定性确认的反应中间产物及基团结果构建起中间产物及基团分布近似的多组分气相替代燃料模型。参考低分子量气相混合燃料的反应机理研究成果,并根据重要中间产物组分分布相似性准则选取CH、CH、CH、CH和NH作为多组分替代燃料的组分物质。在动力学控制的热解温度范围内采用组分物质的显焓改变量参数来表征其在多组分替代燃料中的相对摩尔含量,并考虑到硝胺实际燃烧反应中含N热解中间产物及基团的重要性,根据N元素守恒关系分别修正RDX、HMX和CL-20多组分替代燃料模型中的NH组分含量。最后,应用多组分气相替代燃料模型模拟预估了RDX、HMX和CL-20的高温燃烧特性,并与实验测量数据进行了对比。若以燃烧火焰温度作为对比参数,在温度为298K,压力为1atm的初始反应条件下,RDX、HMX和CL-20多组分气相替代燃料模型的模拟预估结果与实验测量数据的最大偏差分别为5.15%、6.04%和4.58%。由此表明,本文构建起的多组分气相替代燃料模型能够精确模拟RDX、HMX和CL-20等硝胺危险化学品的高温燃烧特性。