开题—AlBi2O3亚稳态分子间复合物反应传播机理模拟研究
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[2] Kim K. Computational modeling of combustion wave in nanoscale thermite reaction, International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 2014, 8(7): 685.
2 国内外研究现状
Al/Bi2O3反应机理研究三种途径 (1) 实验探究： 以实验为依据，通过半定量的实验设计，观察
实验现象及结果，分析其反应机Hale Waihona Puke Baidu。
(2) 理论模型： 通过对实验现象的分析和理论计算建立简化的 理论模型。
(3) 数值模拟： 从热力学、流体力学、燃烧学、传热传质等角 度，通过假设，简化点火及传播过程，进行数 值计算分析。
2 国内外研究现状
目前研究不足之处： (1) 模型构建不够完善，研究角度单一；
(2) 对结果产生影响的因素对比分析不够全面； (3) 国内很少有对反应机理的研究报道。 从反应传播机理数值模拟角度入手，建立温度、压力输出 复合模型，研究不同因素对反应的影响规律是十分必要的。
3 研究内容和研究方案
1 MIC材料反应压力输出模拟 2 MIC材料反应温度模拟 3 MIC材料反应区温度与压力计算
2015年
Baijot等[4]
局部热力学平衡压力输出 装药密度、反应进程
模型
对压力输出的影响
[1] Shaw B D, Michelle L. Pantoya, Birce Dikici. Detonation models of fast combustion waves in nanoscale Al-MoO3 bulk powder media[J]. Combustion Theory & Modelling, 2013, 17(1): 25-39.
[3] Martirosyan K S, Zyskin M, Jenkins C M, et al. Fluid dynamic modeling of nano-thermite reactions[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 115(10): 104903-1104903-5.
[4] Baijot V, Glavier L, Djafari R M, et al. Modeling the pressure generation in aluminum based thermites[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2015, 40(3): 402-412.
Al/Bi2O3
物理混合法 粒径控制困难 指导
制备[1] 溶胶凝胶法 易团聚
自组装法 难工业化生产
反
性能[2]
点火性能 反应速率
影响规律复杂 提高
应
燃烧热
性能不稳定
机
应用[2]
火工药剂
MEMS 推进剂
相容性 安定性
理 改进
[1] 郑保辉, 王平胜, 罗观,等. 超级铝热剂的研究现状与发展趋势[J]. 材料导报, 2014, 28(3): 7-11. [2] 王亚军, 江自生, 冯长根. 亚稳态分子间复合物Al/Bi2O3及其应用[J]. 化学进展, 2016(2): 391-400.
热扩散方程计算数学模型
计算模型方程为：
∂ （ ∂ tcT） ∂ ∂ x（ k∂ ∂ T x） H
模型假设条件： （1）忽略由于反应物相变产生的温度变化；
（2）反应遵循Arrhenius方程；=-t Aexp(R ET a)
（3）反应的点火过程假设为稳定的热源输入。
反应区与预反应区示意图[1]
[1] Wu H Z, Bandaru S, Wang D, et al. Al atom on MoO3(010) surface: adsorption and penetration using density functional theory[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18(10): 7359-7366.
流体力学数学方程推演
∂ξ
∂υ
∂t = (P+Q) ∂t
(1-r(t))he
P -1
1 η=υ
r (t )
1 -1 （ P∂ ∂ t∂ ∂ P t)+dr d (tt)h e-(P Q )∂ ∂ t
t
x
(PQ) 0
t x
初始条件：
x0
dX 2β E 1
u= = ( ) 3
dt 3 Sρ1t
= 1 X =0
2 国内外研究现状
文献年份 2013年
作者 Shaw等[1]
模型
模拟结果
高速燃烧波的C-J爆轰模型
平衡声速对Al/Bi2O3 燃烧波速起关键作用
2014年 2014年
Kim等[2]
一维均一连续稳定燃烧波
活化能影响温度传播 状态
Martirosyan等[3]
一维稳定爆轰波
反应过程中的压力演 变进行预测
3.1 MIC材料反应压力输出模拟
MIC材料反应压力输出物理模型
压力输出模拟物理模型示意图
3.1 MIC材料反应压力输出模拟
MIC材料反应压力输出数学模型
假设条件： （1）反应发生在反应腔中间，产生压力 向两端传播，同一横截面压力相等； （2）反应产生压缩气体以一维均匀流体形 式传播； （3）流体为等熵传播，忽略反应温度等 因素对反应状态产生的影响。
（X
( Et2 ) 13） S 1
x
X x t0
COMSOL软件数值模拟计算
利用COMSOL Multiphysics软件对上述模型进行数值模拟 选用模块：一维对称物理场流体运动及偏微分方程模块
材料选取：Al/Bi2O3实验值
空气
网格划分：均匀网格划分
3.2 MIC材料反应温度模拟
MIC材料反应温度物理模型
主要内容
1
研究背景与意义
2
国内外研究现状
3
研究内容和研究方案
4
可行性分析
5
研究进度安排
1 研究背景与意义
纳米铝热剂，又称亚稳态分子间复合物（MIC） 燃烧效率高，能量释放速率快，安全性能高 反应产气量较小，无法获得理想而又稳定的能量输出 纳米Al/Bi2O3复合物产气量大，反应速度快，反应压力高
1 研究背景与意义
2 国内外研究现状
Al/Bi2O3反应机理研究三种途径 (1) 实验探究： 以实验为依据，通过半定量的实验设计，观察
实验现象及结果，分析其反应机Hale Waihona Puke Baidu。
(2) 理论模型： 通过对实验现象的分析和理论计算建立简化的 理论模型。
(3) 数值模拟： 从热力学、流体力学、燃烧学、传热传质等角 度，通过假设，简化点火及传播过程，进行数 值计算分析。
2 国内外研究现状
目前研究不足之处： (1) 模型构建不够完善，研究角度单一；
(2) 对结果产生影响的因素对比分析不够全面； (3) 国内很少有对反应机理的研究报道。 从反应传播机理数值模拟角度入手，建立温度、压力输出 复合模型，研究不同因素对反应的影响规律是十分必要的。
3 研究内容和研究方案
1 MIC材料反应压力输出模拟 2 MIC材料反应温度模拟 3 MIC材料反应区温度与压力计算
2015年
Baijot等[4]
局部热力学平衡压力输出 装药密度、反应进程
模型
对压力输出的影响
[1] Shaw B D, Michelle L. Pantoya, Birce Dikici. Detonation models of fast combustion waves in nanoscale Al-MoO3 bulk powder media[J]. Combustion Theory & Modelling, 2013, 17(1): 25-39.
[3] Martirosyan K S, Zyskin M, Jenkins C M, et al. Fluid dynamic modeling of nano-thermite reactions[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 115(10): 104903-1104903-5.
[4] Baijot V, Glavier L, Djafari R M, et al. Modeling the pressure generation in aluminum based thermites[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2015, 40(3): 402-412.
Al/Bi2O3
物理混合法 粒径控制困难 指导
制备[1] 溶胶凝胶法 易团聚
自组装法 难工业化生产
反
性能[2]
点火性能 反应速率
影响规律复杂 提高
应
燃烧热
性能不稳定
机
应用[2]
火工药剂
MEMS 推进剂
相容性 安定性
理 改进
[1] 郑保辉, 王平胜, 罗观,等. 超级铝热剂的研究现状与发展趋势[J]. 材料导报, 2014, 28(3): 7-11. [2] 王亚军, 江自生, 冯长根. 亚稳态分子间复合物Al/Bi2O3及其应用[J]. 化学进展, 2016(2): 391-400.
热扩散方程计算数学模型
计算模型方程为：
∂ （ ∂ tcT） ∂ ∂ x（ k∂ ∂ T x） H
模型假设条件： （1）忽略由于反应物相变产生的温度变化；
（2）反应遵循Arrhenius方程；=-t Aexp(R ET a)
（3）反应的点火过程假设为稳定的热源输入。
反应区与预反应区示意图[1]
[1] Wu H Z, Bandaru S, Wang D, et al. Al atom on MoO3(010) surface: adsorption and penetration using density functional theory[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18(10): 7359-7366.
流体力学数学方程推演
∂ξ
∂υ
∂t = (P+Q) ∂t
(1-r(t))he
P -1
1 η=υ
r (t )
1 -1 （ P∂ ∂ t∂ ∂ P t)+dr d (tt)h e-(P Q )∂ ∂ t
t
x
(PQ) 0
t x
初始条件：
x0
dX 2β E 1
u= = ( ) 3
dt 3 Sρ1t
= 1 X =0
2 国内外研究现状
文献年份 2013年
作者 Shaw等[1]
模型
模拟结果
高速燃烧波的C-J爆轰模型
平衡声速对Al/Bi2O3 燃烧波速起关键作用
2014年 2014年
Kim等[2]
一维均一连续稳定燃烧波
活化能影响温度传播 状态
Martirosyan等[3]
一维稳定爆轰波
反应过程中的压力演 变进行预测
3.1 MIC材料反应压力输出模拟
MIC材料反应压力输出物理模型
压力输出模拟物理模型示意图
3.1 MIC材料反应压力输出模拟
MIC材料反应压力输出数学模型
假设条件： （1）反应发生在反应腔中间，产生压力 向两端传播，同一横截面压力相等； （2）反应产生压缩气体以一维均匀流体形 式传播； （3）流体为等熵传播，忽略反应温度等 因素对反应状态产生的影响。
（X
( Et2 ) 13） S 1
x
X x t0
COMSOL软件数值模拟计算
利用COMSOL Multiphysics软件对上述模型进行数值模拟 选用模块：一维对称物理场流体运动及偏微分方程模块
材料选取：Al/Bi2O3实验值
空气
网格划分：均匀网格划分
3.2 MIC材料反应温度模拟
MIC材料反应温度物理模型
主要内容
1
研究背景与意义
2
国内外研究现状
3
研究内容和研究方案
4
可行性分析
5
研究进度安排
1 研究背景与意义
纳米铝热剂，又称亚稳态分子间复合物（MIC） 燃烧效率高，能量释放速率快，安全性能高 反应产气量较小，无法获得理想而又稳定的能量输出 纳米Al/Bi2O3复合物产气量大，反应速度快，反应压力高
1 研究背景与意义