在富含氧气的涡轮泵中，温度和压力通常在450–900 K和15–60 MPa的范围内[1]，在这种极端工作条件下，金属部件容易发生点火[2,3]。本研究关注颗粒撞击引发的点火现象（如图1所示[4]），即气体流中的金属颗粒以高速度撞击部件并引发燃烧，进而可能蔓延至下游部件，导致发动机灾难性故障[5]。为避免这种故障模式，火箭发动机设计目前依赖定性经验和大量测试，但由于测试无法模拟实际运行条件，因此这些方法的预测能力有限。鉴于近年来对可重复使用运载工具的重视（这类工具在多次飞行中会积累颗粒和碎片，并且可能使用增材制造的部件，这些部件会释放粉末颗粒[6]），这些方法的局限性尤为突出。
历史上，颗粒撞击引发的点火风险是通过在高压氧气环境中进行颗粒撞击实验来评估的，实验中利用超音速气流[4,7]、亚音速气流[8]和传播的冲击波[9]等多种机制加速颗粒。典型的颗粒材料包括活性金属（如Al、不锈钢或Ti合金）[4,7,[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]），颗粒尺寸范围为100–2000 μm；靶材材料则包括常见的涡轮机械合金（如Inconel合金[4,7,12,13,18,19]、Monel合金[7,[10],[11],[12],[13]）和不锈钢[4,7,[10],[11],[12],[14,17]等）。实验后会对靶材进行分析，并根据点火严重程度进行定性分类。尽管有大量的测试数据，但很少有人尝试定量关联颗粒撞击与实际点火结果。此外，实验中的压力和温度通常低于现代火箭发动机的涡轮入口条件（如图2所示）。因此，颗粒撞击实验的结果无法直接应用于实际运行环境中的点火风险评估。
尽管如此，这些实验还是揭示了颗粒撞击引发点火的主要过程（如图1所示），以及靶材点火的关键趋势。例如，基于Fe和Al的合金在400 K以上和3.5 MPa以上的温度和氧气压力下容易发生点火[4,10,11,18]，而基于Cu的合金则更耐点火，在550 K和30 MPa以下几乎不会发生点火[7,20]。颗粒材料也会显著影响点火结果：Al颗粒在燃烧过程中释放的能量较高，比SS316和IN718颗粒更容易引发点火[4,21]。这些发现将点火结果与材料属性联系起来：点火风险随颗粒和靶材的氧化焓增加而增加，随靶材的热导率降低而降低，这两者都会影响局部加热和热量积累速率[4,12]。一些研究基于这些发现建立了材料排序[4,7,18,22]，但材料行为与点火结果之间的定量关系尚未得到解释。尽管这些研究关注了靶材的行为，但往往忽略了颗粒点火这一关键步骤，而颗粒点火实际上是引发燃烧链中的第一步。
本研究的核心假设是：颗粒点火是由撞击时的高塑性变形和绝热加热驱动的。以往的研究建立了描述静态条件下颗粒点火的框架，发现当热量积累速率总体为正值时会发生点火。对于金属系统，热量积累受到放热氧化与对流、传导和辐射联合热损失之间的竞争影响，这些因素都取决于几何形状、环境温度和压力以及气体流动[23,24]。在静态条件下，如果不考虑变形过程，金属氧化速率受表面氧化层的限制，因此在富含氧气的环境中，只有当氧化层被破坏时才会发生点火[25]。氧化层可以通过相变（如金属或氧化物的熔化或固态相变）或机械破裂（如氧化层与金属基体之间的热膨胀不匹配）而被破坏[26,27]。在撞击条件下，我们预计点火主要是由于氧化层的机械破裂，类似于其他机械驱动的点火现象（如断裂或摩擦点火[28,29]）。此外，氧化层的机械破裂会使裸露的金属暴露在富含氧气的环境中，此时氧化速率受表面氧吸附控制[30]。因此，机械驱动氧化的活化能大约比静态氧化低一个数量级[30,31]，从而增加了点火风险。
在本研究中，我们结合实验结果开发了一个数值模型，用于评估与富含氧气的涡轮机械实际运行条件相关的颗粒点火风险。我们在高压氧气环境中进行颗粒撞击实验，确定了Ti-6Al-4V颗粒在不同温度下撞击两种不同靶材时的临界点火速度。然后利用实验结果校准了一个多物理场数值模型，该模型描述了颗粒撞击引发的点火过程，并将其扩展到适用于实际应用的温度、压力和颗粒尺寸范围。本研究聚焦于颗粒点火这一关键步骤（参见图1）；未来的工作将模拟燃烧颗粒在靶材上的点燃过程。这些建模方法可以集成起来，用于预测富含氧气的涡轮机械中的部件级点火风险。
