单液滴和金属铝颗粒的燃烧特性研究

发布时间：2020-03-22 06:23

【摘要】：金属颗粒常作为固体推进剂的添加剂,其燃烧反应在工业中应用广泛。同时,在武器/核物理设备的使用过程中,金属表面会因微喷过程的发生引发高温环境中金属颗粒的燃烧现象。目前,针对上述现象的研究有待完善,关于金属颗粒燃烧的基础研究尚不充分,其氧化及燃烧机理尚未完全明确。在燃烧过程中,金属颗粒有其独特的物理特性、产物特性和化学反应机理。本文将金属铝颗粒与研究较为成熟的单液滴燃烧特性进行对比研究,对颗粒燃烧的基本规律进行探索。在实验设计方面,首先进行单液滴燃烧试验,对颗粒燃烧的不同实验方案进行评价,权衡不同点火方式对实验结果的影响;另一方面采用多组分的代用燃料液滴作为研究对象,为分析该新型燃料的喷雾燃烧特性提供依据,以期提升内燃机能量利用效率。在论文第三章,采用挂滴法实验研究了不同配比多组分单液滴的着火和燃烧特性,考察激光和热丝两种点火方式对液滴燃烧速率、火焰形貌和着火延迟时间的影响。结果表明,乙醇-柴油-正丁醇组成的多组分液滴在常重力下燃烧,因其组分沸点分布连续,其直径在燃烧过程中不间断减小。液滴燃烧火焰为泪滴形状的包覆型火焰,随着柴油配比增加,火焰颜色由蓝色转变为明黄色,火焰高度从约2.5D0逐渐增加到20D0。实验设计方面:热丝加热时间增加会增加液滴周围气体对流强度,从而加快燃烧速率;与热丝点火相比,激光点火响应迅速,对液滴附近气体干扰小,随着激光强度的增加,单液滴的着火延迟时间缩短;对于Et20单液滴,当t/tb0.4时,尚处于热丝加热阶段的火焰高度比没有热丝加热的高约5D0,比激光关闭后的火焰高度高约5～10D0。在论文第四章,采用热重-质谱联用仪、X射线衍射仪及扫描电子显微镜等测试手段,研究了不同升温速率下微米级铝粉的氧化特性。结果表明,微米级铝粉氧化主要由离子扩散控制,多晶相变氧化机理同样适用于1～2μm铝粉。其氧化可分为五个阶段;氧化铝晶型转变、铝核心熔化膨胀等引起的氧化膜破裂是第二、四阶段快速氧化的主要原因;第三阶段因θ-Al203出现导致DTG曲线出现较小的增重峰,该峰值温度随着升温速率的减慢而提前。对于微米级铝粉,粒径越大,晶型转变温度越高,颗粒氧化越不完全。结果还表明扩散驱动力的选择对计算活化能产生的影响比较小,铝粉氧化各阶段的活化能与升温速率关系不完全统一。在论文第五章,采用固定铝颗粒、双激光加热方式实验研究了毫米级铝颗粒的着火和燃烧特性,并将其与单液滴燃烧进行对比。结果表明,铝颗粒在空气中燃烧由初始的非均相表面燃烧转变成气相扩散燃烧。稳定燃烧阶段,由于铝核心气化和氧化同时进行,氧化膜间歇破裂,火焰亮度和高度存在“震荡”现象,颗粒上方火焰高度约为颗粒粒径的1.5倍。与单液滴燃烧相比,铝颗粒在空气中的燃烧特点主要有:生成的燃烧产物为固态氧化物导致其直径在燃烧过程中逐渐增大;其火焰在由稳定的气相反应控制时为包裹型火焰,随后火焰主要集中在上方;其着火需极大的点火能,着火后还需一定的外部能量才能保证持续稳定的燃烧;在毫米级范围内,铝颗粒的着火延迟比单液滴的大一个量级以上。通过实验研究,本文系统地分析了微米级和毫米级铝颗粒的氧化及燃烧特性,充实了金属颗粒燃烧的理论基础;对比了毫米级铝颗粒和单液滴在激光点火方式下的燃烧特性,归纳了金属铝颗粒的燃烧特点。在实验设计方面,通过开展多组分代用燃料液滴的燃烧实验,考察了不同点火方案对颗粒/液滴燃烧研究的影响,同时也研究了该代用燃料的燃烧特性,为提高其在内燃机中的喷雾燃烧特性提供依据。
【图文】：

十六烷,液滴,正庚烷,微爆

结果发现这两种组分由于沸点相近，在燃烧过程中并不存在某种组分优先气逡逑化的阶段，因而混合物的燃烧行为与单组分液滴相似，直径变化与与时间成正比，逡逑见图１．１。但如果混合物中两种组分的沸点差异较大，则燃烧过程中液滴的直径逡逑变化将会分为三个阶段，两段斜线被中间水平线分开，见图１．２。优先挥发的组逡逑分引起的液滴直径变化表现在第一阶段。在过渡阶段，液滴吸热，直至液滴温度逡逑达到较难挥发组分的沸点后，较难挥发组分在液滴表面建立浓度边界层，导致液逡逑滴直径继续缩小。在多组分液滴燃烧过程中，微爆是另一个关注的现象。Ｌａｗ［４］逡逑在文献［４］中首次提出假设，当可溶多组分液滴内部过热时，液滴会剧烈破碎，逡逑即出现微爆现象。随后该现象被Ｌａｓｈｅｒａｓ等［６］通过实验研究证实。Ｗａｎｇ［５］在文献逡逑［５］中提出微爆现象出现与液滴的初始产生条件有关，也就是说，通过改变液滴逡逑产生方式，，可以诱导或者抑制微爆现象出现。最近，美国的Ｈｏｘｉｅ等［７］研宄了大逡逑豆油和丁醇混合液滴的微爆燃烧行为。实验结果表明

曲线,平焰燃烧器,铝颗粒,示意图

逦１５００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋°Ｃ逡逑图１．４微米级铝粉在升温过程中的ＴＧＡ和ＤＴＧ曲线１５１１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋ＴＧＡ邋ｃｕｒｖｅ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎ邋ｇｒａｄｅ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ｐｏｗｄｅｒｓ邋ａｓ邋ａ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ１邋１１逡逑平焰燃烧器是研究人员常用的一种用来测量固、液燃料燃烧时间的实验装置，逡逑根据燃烧方式不同可分为扩散和预混两种模式［４ｙ］。Ｆｒｉｅｄｍａｎ和Ｍａｃｅｋ１４７：邋＇＂＾最先逡逑采用平板火焰燃烧器研究铝粉燃烧，实验装置见图１．５，测量了较大微米级铝粉逡逑的燃烧时间，结果表明铝颗粒燃烧时间与粒径呈指数关系即／？美国新逡逑泽西亚理工大学的Ｃｏｒｃｏｒａｎ等［５６］利用平焰燃烧器研宄了湍流环境中铝颗粒的燃逡逑烧情况，结果表明铝颗粒的燃烧速率与湍流强度Ｉ也有关系，燃烧速率等于层流逡逑中的颗粒燃烧速率乘以（１邋＋邋１８．２１）。清华大学孔成栋等［３９］利用Ｈｅｎｃｋｅｎ型平焰燃逡逑烧器结合燃烧诊断技术研究了纳米铝颗粒的的燃烧特性，结果表明纳米铝燃烧以逡逑非均相反应为主，燃烧器结构简图见图１．６。逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｔｒｅａｋｓ邋，逡逑ｍ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｇａｓｅｓ逦ｌ逡逑Ｆｌａｔ邋ｔｌａｍｅ逦丨WＯＨ化利逡逑Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂ邋ｅ＊—＊逦—逦Ｉ逡逑＿咖－ｐ＝ｇ－逦Ｓｅｅｒｎｌ
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16

【参考文献】