1、北京理工大学硕士学位论文开题报告北京理工大学硕士学位论文开题报告Al/Bi2O3亚稳态分子间复合物亚稳态分子间复合物反应传播机理模拟研究反应传播机理模拟研究报告人：于海洋报告人：于海洋 导导 师：王亚军师：王亚军 讲师讲师 专专 业：特种能源理论与技术业：特种能源理论与技术 2016年年10月月21日日 主要内容主要内容研究背景与意义研究背景与意义1国内外研究现状国内外研究现状2可行性分析可行性分析4研究内容和研究方案研究内容和研究方案3研究进度安排研究进度安排51 研究背景与意义研究背景与意义 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，
2、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 研究背景与意义研究背景与意义 Al/Bi2O3制备1应用2性能2物理混合法溶胶凝胶法自组装法粒径控制困难易团聚难工业化生产点火性能反应速率燃烧热影响规律复杂性能不稳定火工药剂MEMS推进剂相容性安定性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.反应机理指导提高改进2 国内外研究现状国内外研究现状Al/Bi2O3反应机理研究三种途
3、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，分析其反应机理。(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。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。(3)数值模拟：2 国内外研究现状国内外研究现状2 Kim K.Computational modeling of combustion wave in nanoscale thermite reaction,International Journal of Chemical,Molecular,Nuclear,Materials and Metal
4、lurgical Engineering,2014,8(7):685.3 Martirosyan K S,Zyskin M,Jenkins C M,et al.Fluid dynamic modeling of nano-thermite reactionsJ.Journal of Applied Physics,2014,115(10):104903-1-104903-5.4 Baijot V,Glavier L,Djafari R M,et al.Modeling the pressure generation in aluminum based thermitesJ.Propellant
5、s,Explosives,Pyrotechnics,2015,40(3):402-412.1 Shaw B D,Michelle L.Pantoya,Birce Dikici.Detonation models of fast combustion waves in nanoscale Al-MoO3 bulk powder mediaJ.Combustion Theory&Modelling,2013,17(1):25-39.文献年份文献年份作者作者模型模型模拟结果模拟结果2013年Shaw等1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Kim等2一维均一
6、连续稳定燃烧波活化能影响温度传播状态2014年Martirosyan等3一维稳定爆轰波反应过程中的压力演变进行预测2015年Baijot等4局部热力学平衡压力输出模型装药密度、反应进程对压力输出的影响2 国内外研究现状国内外研究现状目前研究不足之处：(3)国内很少有对反应机理的研究报道。(2)对结果产生影响的因素对比分析不够全面；(1)模型构建不够完善，研究角度单一；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研究内容和研究方案MIC材料反应压力输出模拟材料反应压力输出模拟1MIC材料反应温度模拟材料反应温度模拟2
7、MIC材料反应区温度与压材料反应区温度与压力计算力计算33.1 MIC材料反应压力输出模拟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：（2）反应产生压缩气体以一维均匀流体形式传播；（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；（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。流体力学数学方程推演流体力学数学方程推演()0PQtxxttQPt)+(=(1-()-1ePr t h)(1=tr1()+-()-1ePdr tPhPQttdtt（
8、2131()EtXS（）311)(32=dd=tSEtXu1=0Xx0 x Xx0t 初始条件：COMSOL软件数值模拟计算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材料反应温度模拟材料反应温度模拟MIC材料反应温度物理模型 反应区与预反应区示意图11 Wu H Z,Bandaru S,Wang D,et al.Al atom on MoO3(010)surface:adsorption and penetration using d
9、ensity functional theoryJ.Physical Chemistry Chemical Physics,2016,18(10):7359-7366.热扩散方程计算数学模型热扩散方程计算数学模型计算模型方程为：cTTkHtxx（）（）=-exp()RaEAtT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；（3）反应的点火过程假设为稳定的热源输入。COMSOL软件数值模拟计算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：一维对称物理场热扩散方程模块材料选取：Al/Bi2O3实验值空气网
10、格划分：均匀网格划分反应传播机理影响因素反应传播机理影响因素（1）氧化物种类：热传导率体积比 密度 反应放热 反应速率（2）反应物粒径：活化能热传导率（3）反应物配比：体积比 热传导率密度 3.3 MIC材料反应区温度与压力计算材料反应区温度与压力计算模型假设条件：（1）计算温度、压力的产生过程，忽略反应区厚度；（2）反应区压力产生来源于化学反应产生大量气体的气相局部分压；（3）传播区压力与温度耦合作用较弱，仍符合3.1、3.2节所建传播模型。气相分压计算数学模型气相分压计算数学模型d()()()d+()vmq TC Th TT h T计算模型方程为：B()k3 2()expiUTiiP TK
11、T/iPk RTM反应区压力、温度产生计算反应区压力、温度产生计算采用MATLAB软件编写程序进行迭代计算模拟结果与已有实验数据对比分析模拟结果与已有实验数据对比分析3.1模型反应压力输出模拟结果3.2模型反应温度模拟结果3.3模型反应区温度、压力模拟结果课题组已有实验数据文献中相关实验数据模型验证与误差分析技术路线技术路线4 可行性分析可行性分析（1）模型理论基础研究已有许多理论与实验数据支撑；（2）数学计算模型方程明确，边界条件能够确定；（3）与实验结果对比分析，计算模拟结果具有参考价值；（4）已有文献中报道与研究相关的COMSOL模拟，此软件能很好地模拟多物理场下反应情况。5 研究工作进
12、度安排研究工作进度安排 时间进度安排2016.062016.08文献调研及撰写文献综述。2016.092016.10确定数值模拟方案，开题。2016.112017.02建立压力输出数值研究模型，计算模拟反应压力输出。2017.032017.05建立反应温度数值研究模型，计算模拟反应温度。2017.062017.07对压力、温度产生机理进行计算分析。2017.082017.09热动力学分析，建立模型，初步探讨纳米铝热剂的反应机理。2017.102017.11对得到的数值模拟结果进行分析总结，撰写毕业论文。2017.122017.12准备毕业答辩。预期研究成果预期研究成果（1）采用COMSOL M
13、ultiphysics多物理场仿真计算软件，建立能够反映温度、压力输出的物理模型和数学计算模型，得到温度、压力随时间、空间变化规律；（2）得到氧化物种类、反应物配比、粒径等因素对MIC材料反应的影响规律；（3）通过对实验数据的分析及建立模型，初步分析得到纳米铝热剂的反应传播机理。本课题创新之处本课题创新之处（1）从动力学角度出发，研究反应传播机理，用流体力学和热力学相关方程进行理论计算，统一了温度与压力输出的物理模型；（2）物理模型贴近真实压力测试实验条件，模拟数据与实验数据的对比分析更加可靠；（3）对影响MIC反应传播机制的影响因素进行研究，得到影响规律，并初步得到传播机理。研究基础研究基础 本课题组所在爆炸与科学重点实验室具有专业仿真实验室，拥有计算机工作站和爆轰、燃烧数值模拟软件，如COMSOL、LS-DYNA、AUTODAN 等。2015年本课题组江自生采用水热法合成了粒径分布均匀且较窄的纳米Bi2O3球形颗粒，并通过超声混合技术制备了Al/Bi2O3复合物粉体，得到了大量压力输出实验数据，完成学位论文1篇。上述研究积累了一定的经验，研究成果对本课题有指导意义研究经费预算计划研究经费预算计划经费已落实。项目费用（万元）文献资料0.2仿真计算机2.0其他1.4总计3.6 谢谢 谢！谢！
