Al/JP-10纳米流体型燃料制备与两相耦合燃烧机理研究
发布时间：2025-01-06 03:22
燃料热值是制约新型飞行器性能的重要因素。通过将纳米铝颗粒加入液体燃料中,制成含铝纳米流体型燃料,能有效提高所得两相燃料的体积能量密度。为深化对该类新型含铝纳米流体型燃料制备方法及能量释放特性的认识,本文采用实验与理论分析相结合的方法,对Al/JP-10纳米流体型燃料的制备及两相耦合燃烧特性进行研究,以期对该类燃料的实际工程应用提供理论参考和技术支撑。对Al/JP-10纳米流体型燃料的流变性及稳定性进行测试分析,探究表面活性剂类型及制备方式对该类燃料分散特性的影响规律,筛选出油酸作为最佳添加剂。为明确油酸对纳米铝的改性效果与作用机制,采用SEM、FTIR等多种现代化分析测试手段与ReaxFF分子动力学模拟方法相结合的方式,对油酸在纳米铝颗粒表面的吸附层特性及吸附机理进行研究。发现油酸分子能通过其羧基端与纳米铝颗粒表面进行化学反应形成稳定吸附层。当油酸浓度较低时,油酸产生单层化学吸附层,厚度约为1.55nm左右;当油酸浓度较高时,油酸分子会在化学吸附层外形成物理吸附层,产生化学-物理双层吸附结构。采用CO2激光点火试验台对Al/JP-10纳米流体型燃料液滴的点火燃烧特性...
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高密度液体燃料研究现状
1.2.2 纳米流体型燃料的制备方法研究现状
1.2.3 纳米流体型燃料的两相分散特性研究现状
1.2.4 纳米流体体系的分子动力学模拟研究现状
1.2.5 纳米流体型燃料的蒸发及点火特性研究现状
1.2.6 纳米流体型燃料的燃烧特性研究现状
1.2.7 纳米流体型燃料理论模型研究现状
1.2.8 存在的问题与不足
1.3 本文主要研究内容和方法
1.3.1 研究内容
1.3.2 研究方法
2 试验装置及方法
2.1 引言
2.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料制备及理化特性测试
2.2.1 Al/JP-10 纳米流体型燃料制备
2.2.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料分散稳定性分析
2.2.3 Al/JP-10 纳米流体型燃料流变性分析
2.3 两相界面特性表征
2.3.1 表面接触角
2.3.2 表面张力
2.3.3 Zeta电位
2.4 吸附层特性表征
2.4.1 热重分析
2.4.2 微观形貌
2.4.3 元素分析
2.4.4 红外吸收光谱
2.4.5 吸附层厚度
2.5 单液滴点火燃烧特性研究
2.5.1 CO2 激光点火试验系统
2.5.2 光纤光谱仪
2.5.3 高速摄像机
2.5.4 高速测温仪
2.6 燃烧产物分析
2.6.1 液氮激冷取样装置
2.6.2 扫描电镜
2.6.3 X射线衍射仪
2.6.4 电感耦合等离子体发射光谱仪
2.7 样品来源
2.7.1 纳米铝颗粒
2.7.2 JP-10
2.7.3 表面活性剂
2.8 本章小结
3 Al/JP-10 纳米流体型燃料的制备及两相分散特性研究
3.1 引言
3.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料的制备及两相分散特性
3.2.1 表面活性剂的选择
3.2.2 颗粒表面改性
3.2.3 流变特性
3.3 油酸对Al/JP-10 两相界面特性的影响规律
3.3.1 表面张力
3.3.2 接触角
3.3.3 颗粒团聚现象
3.3.4 表面官能团
3.4 油酸在纳米铝颗粒表面的吸附特性
3.4.1 颗粒稳定性
3.4.2 热重曲线分析
3.4.3 吸附层元素分布
3.4.4 吸附层厚度
3.5 本章小结
4 油酸在纳米铝颗粒表面吸附改性机理的分子动力学模拟研究
4.1 引言
4.2 反应力场分子动力学模拟方法
4.3 计算方法
4.3.1 纳米铝颗粒表面氧化
4.3.2 单分子油酸吸附
4.3.3 多分子油酸吸附
4.4 常温下纳米铝颗粒氧化层构造
4.4.1 动态平衡曲线
4.4.2 颗粒氧化过程剖视图
4.4.3 Al-O径向分布曲线
4.5 油酸在纳米铝颗粒表面的单分子吸附
4.5.1 动态吸附过程
4.5.2 表面电荷分布
4.5.3 羧基O-H键长变化
4.6 油酸在纳米铝颗粒表面的多分子吸附
4.6.1 不同油酸浓度下的油酸多分子吸附构型
4.6.2 羧基径向密度分布曲线
4.7 实验验证
4.8 本章小结
5 Al/JP-10 纳米流体型燃料的两相耦合燃烧特性
5.1 引言
5.2 Al/JP-10 两相燃料整体能量特性
5.2.1 密度
5.2.2 理论热值
5.3 JP-10 燃料与Al/JP-10 纳米流体型燃料点火燃烧特性分析
5.3.1 点火燃烧全过程
5.3.2 点火延迟时间
5.3.3 燃烧温度分布
5.4 Al/JP-10 液滴中固相铝颗粒燃烧特征及铝团块形成
5.4.1 固相铝颗粒燃烧过程
5.4.2 基于单波长燃烧特征分析
5.4.3 铝团块的形成及演变机制
5.5 固含量对Al/JP-10 纳米流体型燃料点火燃烧特性的影响规律
5.5.1 点火延迟时间
5.5.2 燃烧强度
5.5.3 燃烧产物微观形貌
5.5.4 燃烧产物组分分析
5.5.5 燃烧反应效率
5.6 本章小结
6 Al/JP-10 纳米流体型燃料局部氧环境调控促燃机制
6.1 引言
6.2 纯氧环境下Al/JP-10 纳米流体型燃料的燃烧行为特征
6.2.1 动态燃烧过程
6.2.2 燃烧温度分布特征
6.2.3 燃烧产物微观形貌
6.2.4 固相反应效率
6.3 变氧分压下Al/JP-10 液滴的燃烧特征及固相促燃机制
6.3.1 动态燃烧过程
6.3.2 燃烧发射光谱
6.3.3 两相燃烧强度
6.3.4 固相产物形貌
6.3.5 固相产物组分
6.3.6 团块演变机制
6.4 环境氧分压对Al/JP-10 液滴的燃烧行为的作用机制
6.5 本章小结
7 AP包覆改性对Al/JP-10 纳米流体型燃料的高效促燃机制
7.1 引言
7.2 制备方法与包覆层结构表征
7.2.1 配方设计
7.2.2 制备方法
7.2.3 包覆层微观结构
7.2.4 包覆层热氧化分析
7.3 点火燃烧特性分析
7.3.1 动态燃烧过程
7.3.2 燃烧强度
7.3.3 燃烧产物微观形貌
7.3.4 铝氧化效率
7.3.5 碳含量
7.4 高氯酸铵包覆层分解及促燃机理分析
7.4.1 低温分解
7.4.2 高温分解
7.5 本章小结
8 Al/JP-10 纳米流体型燃料的两相耦合点火燃烧模型
8.1 引言
8.2 物理模型
8.3 数学模型
8.3.1 液相蒸发燃烧
8.3.2 固相点火燃烧
8.3.3 物性参数计算
8.3.4 数值求解方法
8.4 模型有效性验证
8.5 模型计算结果
8.6 实验结果对比
8.7 本章小结
9 全文总结及展望
9.1 本文主要结论
9.2 本文主要创新点
9.3 下一步工作展望
参考文献
作者简历
本文编号：4023713
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高密度液体燃料研究现状
1.2.2 纳米流体型燃料的制备方法研究现状
1.2.3 纳米流体型燃料的两相分散特性研究现状
1.2.4 纳米流体体系的分子动力学模拟研究现状
1.2.5 纳米流体型燃料的蒸发及点火特性研究现状
1.2.6 纳米流体型燃料的燃烧特性研究现状
1.2.7 纳米流体型燃料理论模型研究现状
1.2.8 存在的问题与不足
1.3 本文主要研究内容和方法
1.3.1 研究内容
1.3.2 研究方法
2 试验装置及方法
2.1 引言
2.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料制备及理化特性测试
2.2.1 Al/JP-10 纳米流体型燃料制备
2.2.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料分散稳定性分析
2.2.3 Al/JP-10 纳米流体型燃料流变性分析
2.3 两相界面特性表征
2.3.1 表面接触角
2.3.2 表面张力
2.3.3 Zeta电位
2.4 吸附层特性表征
2.4.1 热重分析
2.4.2 微观形貌
2.4.3 元素分析
2.4.4 红外吸收光谱
2.4.5 吸附层厚度
2.5 单液滴点火燃烧特性研究
2.5.1 CO2 激光点火试验系统
2.5.2 光纤光谱仪
2.5.3 高速摄像机
2.5.4 高速测温仪
2.6 燃烧产物分析
2.6.1 液氮激冷取样装置
2.6.2 扫描电镜
2.6.3 X射线衍射仪
2.6.4 电感耦合等离子体发射光谱仪
2.7 样品来源
2.7.1 纳米铝颗粒
2.7.2 JP-10
2.7.3 表面活性剂
2.8 本章小结
3 Al/JP-10 纳米流体型燃料的制备及两相分散特性研究
3.1 引言
3.2 Al/JP-10 纳米流体型燃料的制备及两相分散特性
3.2.1 表面活性剂的选择
3.2.2 颗粒表面改性
3.2.3 流变特性
3.3 油酸对Al/JP-10 两相界面特性的影响规律
3.3.1 表面张力
3.3.2 接触角
3.3.3 颗粒团聚现象
3.3.4 表面官能团
3.4 油酸在纳米铝颗粒表面的吸附特性
3.4.1 颗粒稳定性
3.4.2 热重曲线分析
3.4.3 吸附层元素分布
3.4.4 吸附层厚度
3.5 本章小结
4 油酸在纳米铝颗粒表面吸附改性机理的分子动力学模拟研究
4.1 引言
4.2 反应力场分子动力学模拟方法
4.3 计算方法
4.3.1 纳米铝颗粒表面氧化
4.3.2 单分子油酸吸附
4.3.3 多分子油酸吸附
4.4 常温下纳米铝颗粒氧化层构造
4.4.1 动态平衡曲线
4.4.2 颗粒氧化过程剖视图
4.4.3 Al-O径向分布曲线
4.5 油酸在纳米铝颗粒表面的单分子吸附
4.5.1 动态吸附过程
4.5.2 表面电荷分布
4.5.3 羧基O-H键长变化
4.6 油酸在纳米铝颗粒表面的多分子吸附
4.6.1 不同油酸浓度下的油酸多分子吸附构型
4.6.2 羧基径向密度分布曲线
4.7 实验验证
4.8 本章小结
5 Al/JP-10 纳米流体型燃料的两相耦合燃烧特性
5.1 引言
5.2 Al/JP-10 两相燃料整体能量特性
5.2.1 密度
5.2.2 理论热值
5.3 JP-10 燃料与Al/JP-10 纳米流体型燃料点火燃烧特性分析
5.3.1 点火燃烧全过程
5.3.2 点火延迟时间
5.3.3 燃烧温度分布
5.4 Al/JP-10 液滴中固相铝颗粒燃烧特征及铝团块形成
5.4.1 固相铝颗粒燃烧过程
5.4.2 基于单波长燃烧特征分析
5.4.3 铝团块的形成及演变机制
5.5 固含量对Al/JP-10 纳米流体型燃料点火燃烧特性的影响规律
5.5.1 点火延迟时间
5.5.2 燃烧强度
5.5.3 燃烧产物微观形貌
5.5.4 燃烧产物组分分析
5.5.5 燃烧反应效率
5.6 本章小结
6 Al/JP-10 纳米流体型燃料局部氧环境调控促燃机制
6.1 引言
6.2 纯氧环境下Al/JP-10 纳米流体型燃料的燃烧行为特征
6.2.1 动态燃烧过程
6.2.2 燃烧温度分布特征
6.2.3 燃烧产物微观形貌
6.2.4 固相反应效率
6.3 变氧分压下Al/JP-10 液滴的燃烧特征及固相促燃机制
6.3.1 动态燃烧过程
6.3.2 燃烧发射光谱
6.3.3 两相燃烧强度
6.3.4 固相产物形貌
6.3.5 固相产物组分
6.3.6 团块演变机制
6.4 环境氧分压对Al/JP-10 液滴的燃烧行为的作用机制
6.5 本章小结
7 AP包覆改性对Al/JP-10 纳米流体型燃料的高效促燃机制
7.1 引言
7.2 制备方法与包覆层结构表征
7.2.1 配方设计
7.2.2 制备方法
7.2.3 包覆层微观结构
7.2.4 包覆层热氧化分析
7.3 点火燃烧特性分析
7.3.1 动态燃烧过程
7.3.2 燃烧强度
7.3.3 燃烧产物微观形貌
7.3.4 铝氧化效率
7.3.5 碳含量
7.4 高氯酸铵包覆层分解及促燃机理分析
7.4.1 低温分解
7.4.2 高温分解
7.5 本章小结
8 Al/JP-10 纳米流体型燃料的两相耦合点火燃烧模型
8.1 引言
8.2 物理模型
8.3 数学模型
8.3.1 液相蒸发燃烧
8.3.2 固相点火燃烧
8.3.3 物性参数计算
8.3.4 数值求解方法
8.4 模型有效性验证
8.5 模型计算结果
8.6 实验结果对比
8.7 本章小结
9 全文总结及展望
9.1 本文主要结论
9.2 本文主要创新点
9.3 下一步工作展望
参考文献
作者简历
本文编号：4023713
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