硼具有高质量热值和体积热值,为高能富燃料推进剂的首选固体填料。含硼富燃料推进剂固冲发动机的燃气发生器中由于缺氧和低温,硼颗粒不可能充分地实现着火燃烧,含有大量硼颗粒的富燃燃气在补燃室内与进气道冲压进入的空气高速掺混完成二次燃烧。受一次燃气喷射方式和冲压空气进气方式的影响,硼颗粒往往处于强迫对流作用下。在强迫对流作用下,硼颗粒周围形成速度梯度很大的附面层,氧化层的竞相生成/消耗不再均匀,硼颗粒周围的燃烧流场也偏离相对静止气氛下球对称结构,这些都与静态气氛下硼颗粒的着火燃烧过程有很大不同。但是,国内外针对该过程的试验研究和理论建模研究很少。因此,研究硼颗粒在固冲发动机内的着火燃烧过程,揭示其内在机理和控制方式,将为进一步研究含硼富燃料推进剂固冲发动机的高效能量转化奠定基础,具有重要的学术意义和工程应用价值。考虑硼颗粒周围的气相组分扩散、混合气流动、气相组分在液态氧化层内部的输运过程以及表面有限化学反应动力的影响,建立了相对静止气氛下一维单颗粒硼着火模型;研究了在实现着火和未能实现着火两种典型情形下硼颗粒的物理参数和氧气、气相B2O3、气相Stefan流的质量流率以及硼颗粒外表面附近氧气、气相B2O3的质量分数和温度分布随时间的变化,解释了硼颗粒着火阶段中的颗粒明亮变化。分析了以King模型为代表的硼颗粒扩散燃烧模型和以Williams模型为代表的化学反应动力学模型的不足,为后文进一步研究硼颗粒着火燃烧过程研究奠定基础。考虑到固冲发动机内可能存在的颗粒聚团现象,系统开展了相对静止气氛下硼颗粒聚团的着火过程研究。考虑聚团内部气相扩散及聚团与周围环境的传热过程,建立了硼颗粒聚团着火模型,详细分析了环境压力、气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒与聚团的粒径比对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。考虑强迫对流下硼颗粒外部的气流剪切作用、表面有限化学反应动力和颗粒内核的热传导等物理化学过程,建立了强迫对流下硼颗粒着火模型,分析了来流速度、环境温度、环境压力等参数对硼颗粒着火过程的影响。研究表明,在一定工况条件下,来流速度越大、环境温度越高、环境压力越大,硼颗粒越容易实现着火。考虑气相流动、扩散和表面单步有限化学反应动力作用,建立了强迫对流下硼颗粒燃烧过程物理模型和数值仿真方法,系统研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数、环境压力等因素对硼颗粒燃烧速率的影响。研究表明,在强迫对流作用下,硼颗粒的燃烧速率随来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数、环境压力的增加而增大。基于大量数值仿真结果,拟合得到了无量纲化的强迫对流下硼颗粒燃烧速率公式,也具有较高的工程应用价值。基于经典的凝结形核理论,建立了气相B2O3凝结过程动力学模型;基于多步反应机理,考虑气相流动、扩散作用,建立了强迫对流下硼颗粒燃烧过程物理数学模型和相应的数值仿真方法。研究表明,在强迫对流作用下,硼颗粒的燃烧火焰呈轴对称结构,空间气相反应相对表面反应较弱,且加上强迫对流作用,气相生成物主要停留在颗粒尾部,形成了“气相尾焰”结构。在本文的研究范围内,影响硼颗粒反应速率的各表面基元反应的反应速率均随来流速度、环境压力、环境中氧气质量分数的增加而加大,但环境温度对硼颗粒表面上各基元反应的反应速率影响不大。进行了一系列的硼着火燃烧试验研究,发现了气相B2O3的凝结现象,观测到了硼表面致密氧化层的形貌特征。初步开展了强迫对流下硼着火燃烧过程试验研究,获得了强迫对流下硼燃烧过程的火焰形貌,研究了颗粒初始温度、气流速度、氧气浓度等参数对硼着火燃烧过程的影响,并分析了各因素的作用机制。试验结果表明,在一定工况下,强迫对流作用会促进硼的燃烧。最后,通过实验结果与数值仿真结果的对比,初步验证了本文所建模型和数值仿真方法的正确性。