镁颗粒点火与燃烧过程中表面氧化物作用机理研究

镁基金属燃料的能量主要是通过燃气流中镁颗粒的燃烧释放出来，而金属镁在二氧化碳和水蒸气中的燃烧性能在很大程度上影响着发动机的性能，因此研究镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中点火燃烧特性可以为推进剂高效燃烧提供理论依据和技术指导。 在总结国内外金属颗粒点火燃烧试验研究基础之上，设计并改进了镁颗粒点火燃烧试验系统。采用高能氙灯辐射点火系统、高速摄影仪、微距镜头、红外测温仪、光谱仪、极细钨铼热电偶等装置得到了颗粒点火燃烧过程中镁颗粒表面的细节变化和火焰特征以及颗粒温度变化历程，获得了颗粒燃烧时的光谱信息，确定了燃烧阶段的主要气相组分。探究了环境压强对镁颗粒点火和燃烧过程的影响，分析了燃烧产物的结构和成份。 开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒着火过程的理论和试验研究。从能量和受力两个角度分析了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气气体氛围中的点火过程，综合镁颗粒能量平衡和氧化层受力关系，建立了镁颗粒点火模型。进行了镁颗粒在二氧化碳和水蒸气中的着火试验，观察到了着火前颗粒表面形态变化，结合理论探索了其着火机理，获得了镁颗粒的着火温度。采用数值计算方法，开展了颗粒粒径和环境温度对点火延迟时间影响的研究。 开展了二氧化碳和水蒸气中镁颗粒燃烧过程的理论和试验研究。以颗粒内部金属表面、氧化层外表面、火焰面和环境无穷远为边界，将颗粒周围空间划分为三个区域，根据颗粒氧化层尺寸和火焰尺寸之间的关系，将颗粒燃烧过程划分为两个阶段，同时考虑气相燃烧反应和颗粒表面多相化学反应，建立了镁颗粒三分区燃烧模型。进行了镁颗粒在水蒸气中的燃烧试验，观察到了燃烧过程中氧化镁在颗粒表面凝结现象和气相燃烧火焰特征，分析了燃烧产物的物理结构特征。通过数值计算，分析了环境温度等对颗粒燃烧的影响。

镁以其在能量密度、点火和燃烧性能方面的综合优势，在水冲压发动机、粉末燃料冲压发动机和固体燃料超燃冲压发动机等推进装置中具有广泛应用前景。镁颗粒的燃烧类似于碳氢燃料的液滴蒸发燃烧，但镁颗粒表面氧化物的存在使得镁颗粒的点火与燃烧过程复杂得多，而对于表面氧化物物理化学变化过程的很多细节还不清楚。本项目以镁颗粒为研究对象，开展表面氧化物对镁颗粒点火与燃烧过程作用机理研究。采用先进光学测试技术，建立基于表面氧化物观测的金属颗粒点火与燃烧试验研究方法，开展不同工况条件下镁颗粒点火与燃烧试验；研究环境压强、温度、外部气流剪切、氧化剂种类与浓度、颗粒赋存形态等因素对镁颗粒点火表面氧化物层消退过程，及燃烧表面氧化物沉积过程的影响；建立考虑表面氧化物作用的镁颗粒点火与燃烧模型及数值仿真方法，分析镁颗粒点火与燃烧过程控制机制，探讨有效促进镁颗粒快速点火与燃烧的方法，为研究镁颗粒在发动机中的点火与燃烧过程奠定基础。

获2019年度国家自然科学奖二等奖

1月10日上午，2019年度国家科技奖励大会在人民大会堂隆重举行。中国科学院生态环境研究中心贺泓院士主持的“燃烧废气中氮氧化物催化净化基础研究”项目荣获国家自然科学二等奖 。大气中氮氧化物（NOx）是造成灰霾、光化学烟雾的重要原因。“燃烧废气中氮氧化物催化净化基础研究”项目针对移动源和固定源燃烧废气NOx排放控制开展系统研究，发现了氨选择性催化还原NOx（NH3-SCR）催化剂双位点紧密耦合的普适性规律，创制了高效NH3-SCR催化剂新体系；发现了HC-SCR关键反应中间体与普适机理，提出了实现柴油-SCR的新途径；发现电子/结构助剂调变N2O分解规律，确立了N2O分解催化剂设计新原则。8篇代表性论文他引1703次，项目成果跻身本领域国际先进行列，为我国NOx减排做出实质性贡献。该项目完成单位为中国科学院生态环境研究中心；主要完成人为贺泓、余运波、单文坡、刘福东、徐文青 。2100433B

含能颗粒床破碎与颗粒间就力的实验测定，破碎诱发异常燃烧的实验研究，考虑颗粒床破碎的多维多相反应流体动力学模型及其数值模拟。该课题涉及燃烧学、多相流体力学与弹塑性力学的交叉学科，成果可应用于能源、航空航天、化工、国防、环境工程等技术领域，对于提高我国燃烧器安全运动具有重要意义。