鎂顆粒點(diǎn)火與燃燒過程中表面氧化物作用機(jī)理研究

鎂基金屬燃料的能量主要是通過燃?xì)饬髦墟V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(dòng)機(jī)的性能，因此研究鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣中點(diǎn)火燃燒特性可以為推進(jìn)劑高效燃燒提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。 在總結(jié)國內(nèi)外金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了鎂顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)。采用高能氙燈輻射點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影儀、微距鏡頭、紅外測溫儀、光譜儀、極細(xì)鎢錸熱電偶等裝置得到了顆粒點(diǎn)火燃燒過程中鎂顆粒表面的細(xì)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(shí)的光譜信息，確定了燃燒階段的主要?dú)庀嘟M分。探究了環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)鎂顆粒點(diǎn)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(yàn)研究。從能量和受力兩個(gè)角度分析了鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣氣體氛圍中的點(diǎn)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(diǎn)火模型。進(jìn)行了鎂顆粒在二氧化碳和水蒸氣中的著火試驗(yàn)，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(jī)理，獲得了鎂顆粒的著火溫度。采用數(shù)值計(jì)算方法，開展了顆粒粒徑和環(huán)境溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)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(yàn)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(yuǎn)為邊界，將顆粒周圍空間劃分為三個(gè)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(gè)階段，同時(shí)考慮氣相燃燒反應(yīng)和顆粒表面多相化學(xué)反應(yīng)，建立了鎂顆粒三分區(qū)燃燒模型。進(jìn)行了鎂顆粒在水蒸氣中的燃燒試驗(yàn)，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(jì)算，分析了環(huán)境溫度等對(duì)顆粒燃燒的影響。

鎂以其在能量密度、點(diǎn)火和燃燒性能方面的綜合優(yōu)勢，在水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、粉末燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等推進(jìn)裝置中具有廣泛應(yīng)用前景。鎂顆粒的燃燒類似于碳?xì)淙剂系囊旱握舭l(fā)燃燒，但鎂顆粒表面氧化物的存在使得鎂顆粒的點(diǎn)火與燃燒過程復(fù)雜得多，而對(duì)于表面氧化物物理化學(xué)變化過程的很多細(xì)節(jié)還不清楚。本項(xiàng)目以鎂顆粒為研究對(duì)象，開展表面氧化物對(duì)鎂顆粒點(diǎn)火與燃燒過程作用機(jī)理研究。采用先進(jìn)光學(xué)測試技術(shù)，建立基于表面氧化物觀測的金屬顆粒點(diǎn)火與燃燒試驗(yàn)研究方法，開展不同工況條件下鎂顆粒點(diǎn)火與燃燒試驗(yàn)；研究環(huán)境壓強(qiáng)、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(duì)鎂顆粒點(diǎn)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(diǎn)火與燃燒模型及數(shù)值仿真方法，分析鎂顆粒點(diǎn)火與燃燒過程控制機(jī)制，探討有效促進(jìn)鎂顆?？焖冱c(diǎn)火與燃燒的方法，為研究鎂顆粒在發(fā)動(dòng)機(jī)中的點(diǎn)火與燃燒過程奠定基礎(chǔ)。

獲2019年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

1月10日上午，2019年度國家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在人民大會(huì)堂隆重舉行。中國科學(xué)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(xiàng)目榮獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng) 。大氣中氮氧化物（NOx）是造成灰霾、光化學(xué)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(xiàng)目針對(duì)移動(dòng)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(diǎn)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(yīng)中間體與普適機(jī)理，提出了實(shí)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(jì)新原則。8篇代表性論文他引1703次，項(xiàng)目成果躋身本領(lǐng)域國際先進(jìn)行列，為我國NOx減排做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目完成單位為中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心；主要完成人為賀泓、余運(yùn)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(shí)驗(yàn)測定，破碎誘發(fā)異常燃燒的實(shí)驗(yàn)研究，考慮顆粒床破碎的多維多相反應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)模型及其數(shù)值模擬。該課題涉及燃燒學(xué)、多相流體力學(xué)與彈塑性力學(xué)的交叉學(xué)科，成果可應(yīng)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(duì)于提高我國燃燒器安全運(yùn)動(dòng)具有重要意義。