微米鋁粉在聲場中的振蕩燃燒特性

李軍偉，王燕賓，饒求劍，王寧飛

(北京理工大學宇航學院，北京 100081)

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微米鋁粉在聲場中的振蕩燃燒特性

李軍偉，王燕賓，饒求劍，王寧飛

(北京理工大學宇航學院，北京 100081)

為了解聲場中鋁粉的燃燒特性，建立了甲烷平面燃燒器，利用外置喇叭產(chǎn)生振蕩，進行了微米級鋁粉的燃燒實驗。研究了鋁粉在不同振蕩頻率下的分布燃燒響應特性及粒徑分別為10、20、30 μm的3種鋁粉顆粒的燃燒特性和產(chǎn)物的阻尼特性。結果表明，振蕩頻率不同時，鋁粉燃燒對振蕩壓強的增益作用不同，粒徑為20μm鋁粉燃燒，在振蕩頻率200Hz和300Hz時增益作用明顯。鋁粉粒度越大，分布燃燒增益越大。粒徑為10μm鋁粉對燃燒器高頻振蕩阻尼最大。隨著鋁粉粒度增加，燃燒產(chǎn)物顆粒對高頻壓強振蕩的阻尼減小。

鋁粉；振蕩頻率；振蕩氣流；燃燒特性；阻尼特性

引 言

隨著固體推進劑能量的不斷提高，固體火箭發(fā)動機會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，造成燃燒室內(nèi)壓強振蕩。這種壓力波動和不穩(wěn)定熱釋放之間的耦合，會導致嚴重的結構破壞，從而降低固體火箭發(fā)動機的壽命[1-2]。

20世紀70年代，研究人員通過向固體推進劑中添加金屬顆粒，來提高固體火箭發(fā)動機的比沖。同時，金屬顆粒燃燒產(chǎn)物中的惰性顆粒極大地抑制了發(fā)動機中的不穩(wěn)定燃燒，改善了燃燒平穩(wěn)特性[3]。雖然燃燒的金屬粒子與其凝聚氧化產(chǎn)物會帶來黏性損失阻尼聲振蕩，但燃燒的金屬顆粒所釋放出的能量能夠影響燃燒室的聲場，甚至增強聲振蕩。由于在發(fā)動機燃燒室的很大空間中都存在鋁顆粒燃燒，在一些位置上顆粒的燃燒可能會對發(fā)動機的燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生增益作用，即分布燃燒效應[4-5]。而有關金屬鋁非穩(wěn)態(tài)燃燒至今未得到深入研究，最初只有Beckstead等[6-7]通過實驗研究了鋁粉對Rijke燃燒器燃燒穩(wěn)定性的影響。此外，Gallier S等[8-9]采用數(shù)值模擬的方法研究了鋁粉顆粒分布燃燒對燃燒不穩(wěn)定性的增益作用。M.Hoeijmakers等[10]通過外加激勵的方式，研究振蕩氣流中熱聲阻尼裝置對聲不穩(wěn)定的抑制作用，發(fā)現(xiàn)阻尼效果很有限。

研究鋁粉燃燒的增益和阻尼特性能更好地解決發(fā)動機內(nèi)燃燒不穩(wěn)定性問題。為了解鋁粉在振蕩氣流中的燃燒特性，本研究建立了甲烷預混平面火焰燃燒器，通過外加聲激勵，研究了在不同聲激勵頻率、振幅以及鋁粉粒徑的條件下鋁粉分布燃燒規(guī)律和燃燒器中的聲壓振蕩特性。

1 實 驗

1.1 樣 品

鋁粉，上海乃歐納米科技有限公司，平均粒徑(d50)分別為10、20、30 μm，純度約為99.9%，分子質(zhì)量26.98g/mol，液態(tài)鋁密度2.37g/cm3，小于熔點溫度時的固態(tài)鋁密度(2.54g/cm3)。純度99.5%的鋁熔點為930K，沸點為2740K，溶解熱為323kJ/g[11]。

1.2 實驗裝置

實驗裝置示意圖見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

本實驗系統(tǒng)主要是由供氣裝置、聲激勵和采集裝置、溫度采集系統(tǒng)、鋁粉供給裝置、錄像設備以及甲烷預混火焰燃燒器組成。供氣裝置主要由3種氣體(甲烷、氮氣和氧氣)的高壓儲氣瓶、流量控制器(D08-2F，量程分別為500mL、5L和2L)、換向閥門和不銹鋼管(內(nèi)徑4mm)等組成。聲激勵和采集裝置主要由低頻信號發(fā)生器(型號XFD-8c)、低頻喇叭(3Ω，4W)、聲壓傳感器和電腦采集軟件組成。溫度采集裝置主要由鉑銠熱電偶(S型，直徑0.5mm)與32路TH-TZ多路無紙記錄儀組成。鋁粉供給裝置主要由電子天平(精確度0.1mg)、藥匙等組成。甲烷預混火焰燃燒器主要由石英玻璃管、不銹鋼管、金屬接頭、多孔介質(zhì)、密封墊圈等部件組成。其中石英玻璃管長150mm，內(nèi)徑10mm，壁厚為1mm。多孔介質(zhì)材料選用泡沫鎳，直徑10mm，厚度18mm，孔隙率為90%，放置在玻璃管下端。不銹鋼管長100mm，管內(nèi)徑10mm，壁厚1mm，中間位置加工T型外接口，用于放置聲壓傳感器，如圖2所示。

圖2 甲烷預混火焰燃燒器Fig.2 Methane premixed flame burner

燃燒器中的燃氣溫度由鉑銠熱電偶進行測量，熱電偶置于石英玻璃管下部，距離多孔介質(zhì)表面20mm，熱電偶測得的溫度由TH-TZ型記錄儀記錄。鋁粉燃燒火焰由GC-PX100型JVC 數(shù)碼錄像機記錄。鋁粉燃燒產(chǎn)生的聲壓由安裝在不銹鋼管中部的BSWA MPA416型聲壓傳感器測量，聲壓數(shù)據(jù)由NI9234型數(shù)據(jù)采集卡采集，最后傳輸?shù)接嬎銠C中保存和處理，采樣頻率為50kHz，采樣時間3s。

1.3 實驗過程

首先，調(diào)節(jié)甲烷、氧氣和氮氣的流量至實驗狀態(tài)，在燃燒器出口用電火花點燃混合氣，火焰從管口向管內(nèi)移動，最后穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面形成預混火焰。然后，打開喇叭和信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器至待實驗的波形、頻率和電壓。最后，將稱量好的鋁粉從管口倒入燃燒器，鋁粉逐漸被加熱，在火焰面附近破殼燃燒，發(fā)出明亮的白光。聲壓傳感器和錄像機記錄鋁粉從注入到完全燃燒這一過程。

2 結果與討論

2.1 甲烷預混火焰的燃燒特性

為了解不同當量比(Φ)對預混火焰的影響，首先研究不加鋁粉情況下當量比對火焰甲烷燃燒溫度的影響。實驗中，固定預混合氣流速為0.3m/s，Φ變化范圍為0.7 ～1.3，如表1所示，圖3為不同當量比時火焰的燃燒情況。

圖3 不同當量比時火焰的燃燒情況Fig.3 Flame combustion at different equivalence ratios

Φ氣體流速/(L·min-1)甲烷氧氣氮氣進氣速率/(m·s-1)0．70．1250．281．040．30．80．1420．281．030．30．90．1580．281．020．31．00．1740．281．010．31．10．1900．271．000．31．20．2050．271．000．31．30．2100．270．990．3

由表1和圖3可看出，當量比為0.7時，進氣速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾氏嘟?，氣體開始在管口點燃形成淡藍色火焰，逐漸調(diào)高當量比，火焰位置由管口下降，當量比調(diào)至0.73時，在石英玻璃管內(nèi)的多孔介質(zhì)上方形成平面火焰。

由圖3發(fā)現(xiàn)，當量比小于1.0時，火焰顏色較淺，這是因為甲烷濃度較低，燃燒比較充分。隨著當量比的增大，火焰區(qū)域開始向多孔介質(zhì)表面上方擴散，呈三角錐狀。當量比為1.0時，火焰溫度最高呈現(xiàn)深橙紅色的圓錐狀，反應不完全，碳顆粒被析出，火焰呈現(xiàn)橙黃色。當量比大于1.0時，火焰開始變?yōu)榈{色，這是因為甲烷過量未充分燃燒。甲烷燃燒時，實驗測量溫度(t)和絕熱溫度(T)[12]的對比結果如圖4所示。

圖4 不同當量比時甲烷的燃燒溫度Fig.4 Combustion temperature of methane with different equivalence ratios

從圖4可以看出，燃燒器內(nèi)熱電偶測量的甲烷燃燒溫度和絕熱溫度差值較大。這是由于熱電偶位于火焰燃燒區(qū)下游。測量的火焰溫度分布規(guī)律與理論計算的分布規(guī)律一致，最高溫度都在Φ為1附近。

為研究鋁粉在振蕩氣流中的燃燒，選取甲烷預混火焰當量比為0.9，進氣速率0.3m/s。這是因為鋁粉的熔點約為930K，此時預混合氣體的燃燒溫度為1053K，而且由于熱電偶的位置高于火焰，實際預混火焰燃燒溫度會更高，雖然鋁粉表面有致密的氧化膜阻礙，氧化膜的熔點高(2300K)，但是氧化鋁的膨脹系數(shù)小于鋁，當鋁粉內(nèi)部達到熔點后，液態(tài)鋁膨脹使氧化膜局部破裂，就可以使鋁粉被點燃。

2.2 鋁粉燃燒分析

當外部聲場振蕩頻率為200Hz時，鋁粉的燃燒過程如圖5所示。由圖5可看出，0.804s時，鋁粉開始加入到燃燒器中受熱，與周圍氣體存在熱量交換。氧化鋁的膨脹系數(shù)小于鋁，當鋁粉內(nèi)部鋁達到熔點，即1.117s時，鋁粉顆粒膨脹使氧化膜局部破裂，鋁顆粒內(nèi)部融化并被蒸發(fā)點燃，形成擴散火焰前鋒。1.239～1.280s時，鋁粉燃燒過程結束。

圖5 振蕩頻率為200Hz時不同時刻鋁粉燃燒情況Fig. 5 Aluminum combustion status at different time under the frequecy of 200Hz

當外部聲振蕩頻率為200Hz時，聲壓曲線如圖6(a)所示。由圖6(a)可看出，1.098～1.112s時間段內(nèi)，鋁粉預熱吸收能量，測得的聲壓降低。1.113s時，鋁粉吸熱破殼，液態(tài)鋁從裂口出來與氧氣反應，所以出現(xiàn)了高頻振蕩。1.140s后，鋁顆粒燃燒結束。傳統(tǒng)理論認為，鋁粉燃燒的凝聚相產(chǎn)物會對火箭發(fā)動機的不穩(wěn)定燃燒有抑制作用[13]。由公式p′=p-p0，式中:p為管內(nèi)總聲壓強度，p0為200數(shù)據(jù)點光滑平均后的聲壓強度，p′為鋁粉燃燒時燃燒器振蕩聲壓強度。對p′數(shù)據(jù)處理，得到圖6(b)所示聲壓-時間曲線。由圖6(b)可看出，鋁粉燃燒結束，1.150s后聲振蕩壓強減弱，并呈指數(shù)型振蕩衰減，屬于線性阻尼機制。

圖6 振蕩頻率為200Hz時鋁粉燃燒的聲壓-時間曲線Fig.6 Pressure-time curves of the aluminum powder burning under the oscillation frequency of 200Hz

對鋁粉燃燒產(chǎn)物進行電鏡掃描，結果如圖7所示。

圖7 鋁粉燃燒產(chǎn)物電鏡掃描圖像Fig.7 SEM images of the combustion products of aluminum

同一次實驗中，加入鋁粉的時間不同，電鏡分析的產(chǎn)物結構不同。圖7(a)是鋁粉的電鏡掃描圖像，鋁粉粒徑約為20μm，呈規(guī)則的球形。圖7(b)中如圓形標記所示，接近半數(shù)的鋁粉產(chǎn)物表面出現(xiàn)不規(guī)則的多邊形破裂缺口，裂口長度與顆粒直徑比值約為0.25。鋁粉表面破裂是因為氧化鋁的膨脹系數(shù)小于鋁，當鋁粉內(nèi)部達到熔點后，液態(tài)鋁膨脹使氧化膜局部破裂燃燒，對應圖6(a)中聲壓振蕩的過程。圖7(c)中，產(chǎn)物表面破碎成碎片結構，并開始出現(xiàn)凝聚。圖7(d)中燃燒產(chǎn)物呈絮狀葉結構，這是因為氧化層內(nèi)部鋁蒸發(fā)燃燒釋放熱量，氧化層熔融凝聚成氧化葉。通過電鏡掃描分析，鋁粉燃燒過程中，內(nèi)部熔融膨脹使氧化膜局部破裂，產(chǎn)物在高溫環(huán)境中會接著凝聚，形成圖7(d)所示的葉狀結構。

2.3 振蕩頻率對鋁粉燃燒的影響

為了更好地模擬發(fā)動機出現(xiàn)的振蕩頻率，實驗中通過改變低頻喇叭輸入頻率，獲得不同振蕩頻率的聲場。選取粒徑為20μm的鋁粉，在聲振蕩幅值為0.077Pa，聲振蕩頻率為100、200、300、400Hz下進行燃燒實驗。通過數(shù)碼相機錄像記錄其燃燒過程，聲壓傳感器采集鋁粉燃燒時的聲壓數(shù)據(jù)，得到幅值(P0)-頻率曲線見圖8。

圖8 鋁粉燃燒時的幅值-頻率曲線Fig. 8 Amplitude-frequency curves of aluminum

(1)

式中:fn為特征頻率，燃燒器管長度L=360mm，求得燃燒器振蕩固有聲振頻率為1195Hz，考慮到管壁與外界熱交換等因素使管內(nèi)平均溫度降低，圖8中的高頻振蕩可以看作燃燒器的固有振蕩頻率。

鋁粉在不同振蕩頻率下燃燒時，聲振蕩的幅值曲線如圖9(a)所示。無鋁粉低頻振蕩(■)表示鋁粉注入前燃燒器內(nèi)的振蕩聲壓幅值，加鋁粉低頻振蕩(▲)表示注入鋁粉后，鋁粉燃燒過程中出現(xiàn)的低頻振蕩聲壓幅值，加鋁粉高頻振蕩(◆)表示鋁粉燃燒過程中出現(xiàn)的高頻振蕩聲壓幅值。在100～400Hz振蕩氣流中，鋁粉燃燒都會使管內(nèi)低頻振蕩和高頻振蕩的聲壓幅值增大。實驗中發(fā)現(xiàn)，粒徑為20μm的鋁粉在有外界振蕩聲場中燃燒時，低頻振蕩幅值先增加后減小，最大值出現(xiàn)在250Hz。此外由于鋁粉的劇烈燃燒，釋放大量的熱量，燃燒器中出現(xiàn)了高頻振蕩，振蕩頻率在1370Hz左右。隨著外加激勵頻率的增加，高頻振蕩的振幅先上升后降低，最大振幅出現(xiàn)在180Hz。這說明當激勵聲場在180Hz時，鋁粉燃燒釋放的熱能和聲能耦合產(chǎn)生的聲振蕩最為明顯。

圖9 振蕩頻率對聲振蕩幅值和鋁粉燃燒時間的影響 Fig. 9 Effect of oscillation frequency on amplitude of acoustic oscillation and burning time of aluminum powder

由圖6(a)可知，由于鋁粉燃燒的熱效應，t1～t2燃燒時間段聲壓幅值急劇上升，用t1～t2時間段表示鋁粉的燃燒時間。鋁粉燃燒時間隨振蕩頻率的變化曲線如圖9(b)所示。隨著聲振蕩頻率的增加，鋁粉燃燒的時間先減小后增加最后趨于平緩，在振蕩頻率200Hz左右，燃燒時間最短。實驗中，不同振蕩頻率下測得數(shù)據(jù)如表2所示。在t1～t2時間段、振蕩頻率200Hz時，燃燒時間最短，對應的低頻振蕩幅值和高頻振蕩幅值相對較大，這也說明鋁粉在聲振蕩頻率200Hz時，燃燒較為劇烈，熱效應最強。表2中，高頻振蕩的頻率范圍在1310～1370Hz之間，改變激勵聲振蕩頻率，對高頻振蕩的頻率無影響。

表2 不同頻率下聲壓曲線的上升段時間和振蕩幅值

注：t2-t1為t1～t2時間段差值；f為激勵頻率;f1為振蕩低頻平均值;p1為低頻幅值平均值;f2為振蕩高頻平均值;p2為高頻幅值平均值。

2.4 鋁粉粒度對燃燒的影響

選取粒徑約為10、20、30μm的鋁粉，在振蕩頻率200Hz聲場中獲得了不同粒度鋁粉燃燒的聲壓曲線。通過傅里葉變換后得到聲壓的頻率-幅值曲線如圖10所示。隨著顆粒直徑的增大，低頻振蕩聲壓幅值增大。鋁粉粒徑為10μm時，高頻振蕩幅值較小，當鋁粉粒徑增加到20和30μm時，高頻振蕩幅值增加比較明顯。這是因為粒度降低，表面被氧化的程度增加，加入等質(zhì)量的鋁粉時，20、30μm鋁粉的表面積較小，燃燒釋放熱量較多。

圖10 聲壓的頻率-振幅曲線Fig.10 Frequency-amplitude curves of sound pressure

圖11 聲壓-時間曲線Fig. 11 Sound pressure-time curves

不同粒徑鋁粉的聲壓幅值曲線如圖12(a)所示。

圖12 粒度對聲振蕩幅值和燃燒時間的影響Fig.12 Effects of particle size on the amplitude of the acoustic oscillation and combustion time

加入鋁粉前，測得3種粒徑的低頻振蕩幅值保持不變，說明保證了外加聲振蕩始終相同的條件。在鋁粉燃燒過程中，當鋁粉粒徑為10μm時，低頻振蕩幅值并無明顯變化，隨著鋁粉粒徑增大，低頻振蕩幅值增加，激發(fā)出的高頻振蕩幅值增大。這說明，加入相同質(zhì)量的鋁粉，隨著粒徑的增加，會釋放更多的熱能轉(zhuǎn)化為聲能。不同粒徑下測得數(shù)據(jù)如表3所示。t1～t2燃燒時間段，鋁粉粒徑為30μm時，燃燒時間最長，對應的低頻振蕩幅值和高頻振蕩幅值相對較大，這也說明鋁粉粒徑為30μm時，熱效應最強。表3中，高頻振蕩的頻率范圍為1370～1410Hz，改變鋁粉粒徑，對高頻振蕩頻率的影響不大。

表3 不同粒徑鋁粉聲壓曲線的上升段時間和振蕩幅值

Beckstead[16]通過大量的試驗，提出了具有代表性的Dn模型，并建議直徑指數(shù)的取值范圍在1．5～1．8之間.大量研究表明，n取1.8時，計算效果最好，燃燒時間可表達為

(2)

式中:Xeff=CO2+0.6CH2O+0.22CCO2;其中Xeff為氧化氣體濃度；D為粒子直徑，μm；p為壓強，1.01×105Pa;T0為鋁粉燃燒環(huán)境溫度，K；常數(shù)c =7.35×10-6。根據(jù)Dn模型計算的燃燒時間和多次測量的t1～t2燃燒段時間曲線如圖12(b)所示。由圖12(b)可看出，隨著鋁粉粒度增大，計算和測量時間增加，并且變化趨勢一致。

3 結 論

(1)粒徑為20μm的鋁粉在100～400Hz激勵振蕩頻率下燃燒，使激勵振蕩和燃燒器振蕩壓強增大；振蕩頻率不同，鋁粉燃燒對振蕩壓強的增益作用不同，在振蕩頻率為200和300Hz時增益作用明顯。

(2)鋁粉燃燒過程中，顆粒內(nèi)部熔融膨脹，氧化層會發(fā)生局部破裂，鋁蒸發(fā)燃燒，產(chǎn)物凝聚成塊。

(3)燃燒的鋁粉粒度越大，聲壓振蕩強度越大；粒徑為10μm鋁粉對燃燒器高頻振蕩阻尼響應最快，粒徑為20和30μm鋁粉的阻尼響應相對較差。

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Oscillating Combustion Characteristics of Micro-aluminum Powder in Sound Field

LI Jun-wei,WANG Yan-bin,RAO Qiu-jian,WANG Ning-fei

(School of Astronautics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

To understand the combustion characteristics of aluminum powders in the sound field, a methane flat burner was established. The combustion experiment of micro-aluminum powders was carried out by an external horn to generate oscillation. The distribution and combustion response characteristics of aluminum powder under different oscillating frequency and the combustion characteristics and damping characteristics of products for aluminum powder with particle size of 10 ，20 ，30μm were studied. The results show that when the oscillation frequency changes, the gain effect of the aluminum powder combustion to the oscillating pressure is different, the gain effect of 20μm aluminum powder combustion is obvious when the oscillation frequency is 200Hz and 300Hz. The larger the particle size, the greater the gain of distribution combustion. The damping of aluminum powder with the particle size of 10 μm to high-frequency oscillation of burner is the maximum. With increasing the particle size of aluminum, the damping of combustion product particles on high frequency pressure oscillation reduces.

aluminum powder; oscillating frequency; oscillating flow; combustion characteristics; damping characteristics

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.008

2016-08-11；

2016-09-13

國家自然科學基金

李軍偉(1978-)，男，副教授，博士生導師，從事火箭發(fā)動機燃燒、流動相關的實驗和數(shù)值模擬研究。E-mail:david78lee@bit.edu.cn

TJ55；O32

A

1007-7812(2016)05-0051-07