不同環(huán)境壓強下炭黑含量對聚乙烯點火和燃燒性能的影響

楊海濤, 陳 雄, 相恒升, 鞏倫昆, 黃 波

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

固體燃料沖壓發(fā)動機(Solid Fuel Ramjet,SFRJ)具有結(jié)構(gòu)簡單、比沖高、使用安全等優(yōu)點,是一種具有廣闊應(yīng)用前景的動力推進系統(tǒng)[1]。當(dāng)前,SFRJ技術(shù)研究中應(yīng)用的固體燃料主要有聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚乙烯(Polyethylene,PE)和端羥基聚丁二烯(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene,HTPB)等碳氫類固體燃料和含有顆粒(金屬顆粒鋁、鎂和非金屬顆粒硼等)的貧氧推進劑。對固體燃料點火和燃燒性能進行研究,對于揭示固體燃料的點火和燃燒機理、推動固體燃料的工程應(yīng)用和研發(fā)新型固體燃料具有非常重要的意義。

從20世紀(jì)60年代至今,已經(jīng)有國內(nèi)外專家對固體燃料的點火性能進行了相關(guān)研究[2]。Zarzecki等[3]對PMMA在低壓和低氧濃度環(huán)境中的燃燒特性進行了研究,結(jié)果表明: 環(huán)境壓強為0.018～0.1 MPa、環(huán)境氧濃度為12%～21%時,PMMA的燃速受環(huán)境壓強的影響較小,且與環(huán)境壓強和環(huán)境氧濃度都呈指數(shù)關(guān)系,但在低壓環(huán)境中對流換熱損失減少,使點火延遲時間縮短。Hedman[4]采用激光作為點火源,對添加了炭黑、金屬顆粒和少量氧化劑的HTPB燃速進行了研究,結(jié)果表明: 在燃料表面,金屬顆粒出現(xiàn)了燒結(jié)現(xiàn)象,炭黑會出現(xiàn)積聚現(xiàn)象,燃料表面分解層的組分是影響燃速的主要因素。聶芝俠等[5]研究了不同組分的鋁鎂貧氧推進劑的燃燒性能,結(jié)果表明: 燃速隨氧化劑高氯酸銨(Ammonium perchlorate,AP)粒度的增加而增加,隨氧化劑高氯酸鉀(KP)含量的增加而減少,金屬含量對燃速的影響較大,而金屬Mg/Al含量的比值對燃速的影響較小。王鴻美等[6]研究了激光點火方式對硝酸酯增塑聚醚(NEPE)高能固體推進劑在不同點火熱流密度情況下的點火性能,結(jié)果表明: 在熱流密度小于6.7×105W·cm-2時,點火延遲時間隨熱流密度的增加明顯縮短,而熱流密度大于該值時,點火延遲時間受熱流密度的影響很小。

固體燃料PE具有力學(xué)性能好、機械加工性能優(yōu)、化學(xué)穩(wěn)定性高、成本低廉等一系列特點,而且燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水,增強發(fā)動機的隱身性,在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于SFRJ燃燒機理研究[7-10]。但是固體燃料PE在SFRJ中燃燒時會出現(xiàn)點火困難、燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象。根據(jù)Metochianakis等[11]的研究,SFRJ工作過程中,通過輻射傳熱反饋到固體燃料燃面的熱量至少占總反饋熱量的15%,而炭黑(Carbon Black)是一種典型的增強輻射吸熱系數(shù)的固體可燃物。在固體燃料PE中添加炭黑,是一種提高火焰對燃燒表面的熱反饋強度、增強燃燒穩(wěn)定性的重要措施。國內(nèi)外在該方面的研究很有限,不能清晰地揭示炭黑對固體燃料點火和燃燒性能的影響。為此,本研究設(shè)計并加工了固體燃料加工裝置和樣品藥柱加工裝置,制備了不同炭黑質(zhì)量分數(shù)的固體燃料藥柱,進行了一系列實驗,揭示了固體燃料PE的點火機理,并進一步研究了炭黑質(zhì)量分數(shù)和環(huán)境壓強對固體燃料點火和燃燒性能的影響。

2 實驗設(shè)備及方法

2.1 樣品制備

實驗用樣品的組分配比見表1。

表1 實驗樣品的組分配比

Table 1 Composition ratio of experimental samples

samplemassfraction/%HDPEcarbonblackdensity/g·cm-3densitystandarddeviation/g·cm-3S110000．9660．008S29550．9770．011S390100．9910．005S480201．0160．006S570301．0510．006S660401．0870．009S750501．1220．011

樣品中使用的聚乙烯粉為美國埃克森美孚公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)牌號HMA-018,粒徑100目(154 μm); 炭黑為天然棗木炭粉,使用200目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩分樣,保證炭黑粒徑小于200目(74 μm)。樣品制備時,將HDPE粉和炭黑放入V型雙臂混料機中均勻混合,然后放入加工模具(如圖1a所示)中,將模具放在恒溫熔錫爐中恒溫225 ℃保持30 min,將模具取出放在壓力機中,恒定施加3 MPa的壓力30 min,最后進行退模,取出成型的固體燃料。固體燃料冷卻至常溫后,使用車床將固體燃料加工成尺寸為Φ24 mm×6 mm的柱狀,然后使用樣品加工沖頭(如圖1b所示)將固體燃料加工成Φ5 mm×6 mm的柱狀樣品(如圖1c所示)。對所加工的固體燃料進行了密度測量,結(jié)果如表1所示,計算了各組分配比固體燃料密度的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果表明各組分固體燃料密度標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.011 g·cm-3。

a. mold b. punch c. solid fuel and samples

圖1 樣品加工模具和樣品藥柱

Fig.1 Sample processing mold and sample grain

2.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由CO2激光器、燃燒室、光路裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置組成,其組成示意圖如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of experimental device

CO2激光器作為點火源,出光功率可調(diào),光斑直徑為3.7 mm。燃燒室為102 mm×120 mm×240 mm的立方體空腔,前后兩側(cè)有40 mm×70 mm的鋼化玻璃視窗,頂部有一個直徑為20 mm的通光孔,配合光路系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光光斑直徑; 燃燒室和高壓氣瓶相連,通過調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)的充氣量調(diào)節(jié)燃燒室壓強,壓強數(shù)值在減壓閥表盤上讀取?？刂葡到y(tǒng)由計算機軟件和控制卡組成,通過控制系統(tǒng)控制激光加載功率和加載時間?？紤]到激光傳播過程中激光能量的損耗,每次實驗前使用CO2激光功率計對激光功率進行標(biāo)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩個光電二極管、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。兩個光電二極管分別采集激光出光信號和固體燃料火焰信號,信號放大器將兩路信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并放大。高速攝影儀以240 fps的幀頻記錄實驗過程。

2.3 實驗過程

對表1中7種樣品在0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 MPa的環(huán)境中進行實驗,共35組實驗工況,每組實驗工況進行5次實驗,并對實驗結(jié)果求平均值。

在使用高速攝影儀拍攝錄像時,將發(fā)光二極管(LED)放入拍攝視窗內(nèi)。當(dāng)激光開始加載時,光電二極管將采集到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號,并經(jīng)過放大電路輸出給發(fā)光二極管,發(fā)光二極管發(fā)光并被高速攝影儀捕捉,將此時刻定義為實驗過程的零時刻。

在測量點火延遲時間時,將激光加載功率設(shè)定為260 W·cm-2,兩個光電二極管分別對激光加載信號和固體燃料火焰信號進行采集,并轉(zhuǎn)化為電壓信號顯示在計算機上。定義固體燃料初始火焰信號與激光初始加載信號的時間差為固體燃料的點火延遲時間。圖3為固體燃料點火過程電壓信號曲線(實驗樣品為S5,環(huán)境壓強為0.3 MPa),其中橫軸表示時間t,縱軸表示傳感器測得電壓U,可準(zhǔn)確讀出固體燃料初始火焰時間與激光初始加載時間,測得點火延遲時間為173 ms。

圖3 固體燃料點火過程的光電信號

Fig.3 Photoelectric signal of solid fuel ignition process

在測量固體燃料的燃速時,有部分炭黑積聚在固體燃料燃面形成炭黑層,所以燃速計算采用質(zhì)量燃速。在實驗過程中,控制系統(tǒng)接收到固體燃料火焰信號達到最大值(4 V)時,停止激光加載; 當(dāng)固體燃料火焰信號持續(xù)8 s時,高壓氮氣閥和空氣出口閥門同時打開,高壓低溫氮氣將火焰吹滅。由于激光加載時間相比總?cè)紵龝r間很短,可將整個燃燒過程視為無外加熱源情況下自持燃燒。實驗前后的固體燃料的質(zhì)量分別為m0和m1,得到燃燒質(zhì)量(m0-m1); 通過讀取高速攝影儀拍攝錄像中初始火焰出現(xiàn)時間t1和熄火時間t2,得到燃燒時間(t2-t1),定義固體燃料的燃速為:

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 點火與燃燒過程分析

根據(jù)文獻[12]可知,固體燃料PE高溫分解時的產(chǎn)物取決于分解溫度,但主要分解產(chǎn)物是可燃性氣體乙烯。圖4所示是高速攝影儀記錄樣品點火和燃燒過程的幾個關(guān)鍵時刻。從圖4可以看出,所有樣品在不同環(huán)境壓強下的點火過程相似。以圖4a中炭黑質(zhì)量分數(shù)為5%的樣品S2為例分析點火和燃燒過程,激光開始加載后(0 ms),樣品表面受熱后快速融化為粘稠液體,并逐漸有白煙狀的大分子分解產(chǎn)物在空氣中自然對流上升擴散(440 ms); 隨著熱量的積累,固體表面上升到一定溫度后,分解氣體主要為無色透明的小分子氣體; 當(dāng)分解氣體溫度達到其活化能并有充足的氧氣,初始火焰出現(xiàn)(536 ms)并快速向上下傳播(540 ms),直到達到穩(wěn)定燃燒(594 ms); 當(dāng)撤去激光后燃燒火焰高度瞬間降低(598 ms),然后在無外加熱源條件下逐漸穩(wěn)定燃燒(6000 ms)。通過上文分析可知,各樣品的點火過程均為典型的氣相點火,燃燒火焰屬擴散火焰。

對比分析圖4a中不同樣品點火和燃燒過程,當(dāng)環(huán)境壓強為0.1 MPa時,隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,樣品中PE的初始分解時間縮短,分解氣體中伴隨著更多的炭黑,初始火焰和穩(wěn)定燃燒火焰都更加明亮,但穩(wěn)定燃燒火焰高度更低。當(dāng)環(huán)境壓強為0.3 MPa(圖4b)和0.5 MPa(圖4c)時,炭黑質(zhì)量分數(shù)對固體燃料的點火和燃燒的影響與環(huán)境壓強為0.1 MPa時相同。上述現(xiàn)象的原因是,隨著炭黑的加入,固體燃料吸收了更多的激光輻射能量,加快了激光輻照對固體燃料的加熱進程,使固體燃料表面更快達到HDPE的初始分解溫度,縮短了固體燃料初始分解時間; 隨著固體燃料熱解的進行,分解氣體將部分小粒徑的炭黑吹離固體燃料的表面,并隨分解氣體上升,點火完成后,炭黑相對熱解氣體更加難以燃燒,未燃盡的碳炭黑隨火焰向上運動,燃燒火焰呈黃色且更加明亮[13]。

環(huán)境壓強為0.1 MPa時,S1～S3樣品燃燒后的固體燃料表面形貌如圖5所示。由圖5可見,樣品S1燃燒后的燃面致密光滑(圖5a); 樣品S2燃燒后的表面有少量的炭黑(圖中綠色箭頭所指位置)積聚(圖5b); 樣品S3燃燒后的表面有大量的炭黑積聚(圖5c)。根據(jù)圖5可知,分解氣體只能夠?qū)⒉糠痔亢诖惦x固體燃料燃面,而剩余部分炭黑在燃面處積聚,形成炭黑層,炭黑層的厚度隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加而增加。炭黑層阻止其下方的炭黑脫離固體燃料燃面,這也是圖4a中樣品S2、S3、S5、S7分在440,384,296,204 ms時刻分解氣體頂部形成“黑帽子”的原因。而且,隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,炭黑層厚度隨之增加,影響火焰反饋熱進一步向固體燃料內(nèi)部傳導(dǎo),HDPE分解速率減慢,穩(wěn)定燃燒火焰高度更低。

a. 0.1 MPa b. 0.3 MPa c. 0.5 MPa

圖4 不同環(huán)境壓強下固體燃料點火和燃燒過程

Fig.4 The ignition and combustion process of solid fuel at different environmental pressures

a. S1(HDPE) b. S2(5%C) c. S3(10%C)

圖5 固體燃料燃燒后表面形貌

Fig.5 Surface morphology of solid fuel after combustion

根據(jù)圖4進一步分析,環(huán)境壓強對不同組分配比固體燃料點火和燃燒的影響相似。對比分析圖4中S2樣品在環(huán)境壓強為0.1,0.3,0.5 MPa情況下的點火和燃燒過程,隨著環(huán)境壓強的增大,固體燃料初始分解時間縮短,分解燃氣擴散上升速度減慢,初始火焰更加靠近固體燃料燃面,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,穩(wěn)定燃燒火焰高度增加,燃燒火焰伴隨著更多的絮狀炭黑,火焰中的黃色光增強,火焰更加明亮,火焰頂部聚集更多的炭黑,激光熱流對固體燃料燃燒的影響減弱。上述現(xiàn)象的原因是,隨著環(huán)境壓強的增加,分解氣體在空氣中的擴散混合速率減慢,在燃面處最先達到點火氧濃度和點火溫度,初始火焰出現(xiàn)在固體燃料燃面處,并且緩慢向上擴散。氣相反應(yīng)高溫區(qū)域更加靠近燃面,增強了火焰對固體燃料的熱反饋,固體燃料的分解速率加快,點火熱源的作用減弱,同時固體燃料分解速率增大、穩(wěn)定燃燒火焰更高。而火焰中心區(qū)域缺乏足夠的氧氣,分解氣體不能充分燃燒,會有中間反應(yīng)產(chǎn)物炭黑生成,這也是火焰呈黃色的主要原因[14]。

3.2 不同環(huán)境壓強下炭黑質(zhì)量分數(shù)對點火延遲時間的影響

不同環(huán)境壓強下點火延遲時間隨炭黑質(zhì)量分數(shù)變化情況如圖6所示。由圖6可以看出,在相同的環(huán)境壓強下,隨著炭黑的加入,點火延遲時間急劇縮短; 當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)大于20%時,隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,點火延遲時間緩慢縮短,并很快趨于平緩; 在炭黑質(zhì)量分數(shù)相同情況下,隨著壓強的升高,固體燃料的點火延遲時間急劇縮短,當(dāng)環(huán)境壓強高于0.2 MPa時,壓強增大對點火延遲時間的影響很小。該現(xiàn)象的原因是,隨著炭黑的加入,使固體燃料輻射吸收系數(shù)增加,單位時間內(nèi)吸收了更多的激光輻射能,加快了固體燃料的受熱分解,使點火延遲時間急劇縮短。雖然炭黑會提高輻射吸熱能力,但是這種提高效果存在極限,隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,提高效果逐漸減弱,炭黑質(zhì)量分數(shù)對點火延遲時間的影響也越來越弱。

圖6 不同炭黑質(zhì)量分數(shù)和環(huán)境壓強下的點火延遲時間

Fig.6 Ignition delay time under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

由上述分析可知,影響固體燃料的點火延遲時間的因素主要包括固體燃料表面熱量積累時間、固體燃料分解時間和分解氣體擴散時間。根據(jù)文獻[15]可知,固體燃料PMMA點火延遲時間與激光熱流密度的關(guān)系符合式(2):

(2)

式中,tig為點火延遲時間,ms;q為激光熱流密度,W·cm-2;A、B為常數(shù)。

由于炭黑的加入主要增加固體燃料對激光能量吸收的強度,故引入修正系數(shù)k對熱流密度進行修正,得到點火延遲時間tig與炭黑質(zhì)量分數(shù)φC的函數(shù)關(guān)系式:

(3)

式中,tig為點火延遲時間,ms;φC為炭黑質(zhì)量分數(shù);a、b、k為常數(shù)。

根據(jù)公式(3),采用最小二乘法對圖6中不同環(huán)境壓強下點火延遲時間與炭黑質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系進行擬合,分別得到在不同環(huán)境壓強下的擬合曲線(圖6中曲線)和擬合參數(shù)(表2)。

表2 不同環(huán)境壓強下點火延遲時間與炭黑質(zhì)量分數(shù)的擬合結(jié)果

Table 2 Fitting results of ignition delay time with mass fraction of carbon black at different environmental pressures

p/MPaabkcorrelationcoefficients0．17．06×107277．804．10×1030．9950．25．87×107164．894．84×1030．9990．35．25×107143．664．62×1030．9980．44．59×107129．663．93×1030．9980．54．22×107125．673．61×1030．997

分析表2中不同環(huán)境壓強下點火延遲時間與炭黑質(zhì)量分數(shù)關(guān)系的擬合結(jié)果可知,常數(shù)a和b都隨著壓強的增大而減少,且滿足指數(shù)關(guān)系,即a∝p-3.082,b∝p-0.548。

3.3 不同環(huán)境壓強下炭黑質(zhì)量分數(shù)對燃速的影響

環(huán)境壓強為0.1,0.3,0.5 MPa情況下,不同組分配比固體燃料的燃速如圖7所示。根據(jù)圖7可知,相同環(huán)境壓強時,固體燃料的燃速隨炭黑質(zhì)量分數(shù)的增大而減小。碳黑質(zhì)量分數(shù)相同時,固體燃料的燃速隨環(huán)境壓強的增大而增大。當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)增加大于5%時,固體燃料的燃速隨壓強的增大緩慢增大,此時炭黑質(zhì)量分數(shù)為影響固體燃料燃速的主要因素。這是因為,以HDPE為基底的固體燃料的燃燒方式為擴散燃燒,而炭黑只能部分隨著分解氣體與空氣摻混,隨著燃面的退移,剩余部分炭黑逐漸在燃面積聚,形成炭黑層(如圖5b和圖5c所示),影響火焰反饋熱進一步向固體燃料內(nèi)部傳導(dǎo),固體燃料中HDPE的分解速率降低。隨著環(huán)境壓強的增大,分解氣體擴散速率減慢,氣相反應(yīng)區(qū)變薄,使高溫區(qū)更加接近燃面,增強了高溫火焰對固體燃料的熱反饋,固體燃料分解速率加快。隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,炭黑層的厚度增加更快,進一步影響火焰對固體燃料的熱反饋,固體燃料中HDPE的分解速率降低,所以當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)大于5%時,固體燃料的燃速隨壓強的增大緩慢增大,炭黑質(zhì)量分數(shù)成為影響固體燃料燃速的主要因素。通過計算可知,樣品S2(炭黑為5%)在環(huán)境壓強分別為0.1,0.3,0.5 MPa情況下,燃速比在相同環(huán)境壓強時樣品S1分別降低13.76%,20.76%和26.07%,而文獻[4]表明當(dāng)在HTPB中添加質(zhì)量分數(shù)為1%的炭黑時,燃面退移率降低27%,產(chǎn)生這種差別的原因可能是HTPB與HDPE的燃燒性能不同、實驗工況不同等。

圖7 不同炭黑質(zhì)量分數(shù)和環(huán)境壓強下的燃速

Fig.7 Burning rate under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

此外,本研究中固體燃料是在輻射作用下點火燃燒,由于炭黑的作用輻射吸收系數(shù)增加,點火延遲時間縮短; 擴散過程主要為自然對流驅(qū)動,環(huán)境壓強的增加使得火焰高溫區(qū)更靠近燃料燃面,使熱量反饋增強。在SFRJ工作過程中,高溫燃氣與固體燃料之間為強迫對流換熱,并且對固體燃料表面也存在著一定的剪切作用,炭黑顆粒可能不會積聚在固體燃料表面,炭黑對點火燃燒過程的影響可能與本研究得到的成果存在一些差別。因而,在本文研究基礎(chǔ)上,還需要對固體燃料在強迫對流環(huán)境下的點火燃燒過程進行研究,進一步分析環(huán)境壓強和炭黑質(zhì)量分數(shù)對固體燃料的點火燃燒的影響。

4 結(jié) 論

(1) 以高密度聚乙烯為基底添加炭黑固體燃料的點火方式為典型的氣相點火,火焰屬擴散火焰。隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)的增加,HDPE初始分解時間縮短,但是在燃燒表面形成的炭黑層厚度增加; 隨著壓強的升高,初始火焰更加靠近燃燒表面,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,火焰中新生成炭黑和黃色光的比例增加; 壓強是影響穩(wěn)定火焰高度的主要因素。

(2) 隨著炭黑的加入,固體燃料的點火延遲時間急劇縮短,當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)大于20%時,炭黑質(zhì)量分數(shù)對點火延遲時間影響很小; 隨著壓強的增大,點火延遲時間縮短,但當(dāng)環(huán)境壓強大于0.2 MPa時,壓強大小對點火延遲時間的影響很小; 當(dāng)激光加載熱流密度為260 W·cm-2、炭黑質(zhì)量分數(shù)小于50%、環(huán)境壓強為0.1～0.5 MPa時,點火延遲時間tig和炭黑質(zhì)量分數(shù)φC符合函數(shù)關(guān)系tig=a/(260+k×φC)2+b,常數(shù)a和b都隨著壓強的增大而減少,且滿足指數(shù)關(guān)系,即a∝p-3.082,b∝p-0.548。

(3) 環(huán)境壓強相同時,固體燃料的燃速隨炭黑質(zhì)量分數(shù)的增大而減小; 碳黑質(zhì)量分數(shù)相同時,固體燃料的燃速隨環(huán)境壓強的增大而增大; 當(dāng)炭黑質(zhì)量分數(shù)增加大于5%時,炭黑質(zhì)量分數(shù)為影響固體燃料燃速的主要因素。

(4) 本研究中分解氣體擴散過程主要為自然對流驅(qū)動,而SFRJ中高溫燃氣與固體燃料之間為強迫對流換熱,并且對固體燃料表面也存在著一定的剪切作用,炭黑對點火燃燒過程的影響可能與本研究得到的成果存在一些差別,還需要進一步研究在強迫對流環(huán)境下環(huán)境壓強和炭黑質(zhì)量分數(shù)對固體燃料點火燃燒的影響。

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