鋁顆粒群點火與燃燒特性研究

唐 勇，董 維，鄒祥瑞，石保祿，王寧飛

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京，100081）

0 引 言

固體火箭發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、推力密度大、技術(shù)成熟度高、便于貯存維護(hù)等諸多優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的火箭推進(jìn)系統(tǒng)之一[1,2]。美國、俄羅斯和法國等在役的絕大部分戰(zhàn)略導(dǎo)彈均采用固體主動力，例如民兵Ⅲ、布拉瓦Ⅲ、三叉戟-D5和白楊-M[3]。此外，大量運載火箭助推器或主動力采用大型固體發(fā)動機(jī)，例如歐洲的阿里安6號和中國的長征十一號運載火箭[4,5]。為了提高固體火箭發(fā)動機(jī)的比沖，通常在固體推進(jìn)劑中加入金屬粉末來提高能量水平[6,7]，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10～20%的鋁粉可以產(chǎn)生30%以上的熱量，鋁粉燃燒過程及其產(chǎn)物對固體發(fā)動機(jī)具有較為復(fù)雜的影響[8,9]。

另一方面，以金屬鋁粉顆粒直接作為燃料的新型粉末火箭發(fā)動機(jī)，具有結(jié)構(gòu)相對簡單、推力可調(diào)、多次啟動和環(huán)境溫度適用性廣等優(yōu)勢，可用于超聲速導(dǎo)彈、空間推進(jìn)和水下推進(jìn)等領(lǐng)域[10,11]。此外，隨著中國“雙碳目標(biāo)”的提出，鐵、鋁等含能金屬顆粒由于燃燒不產(chǎn)生碳排放，以及便于存儲運輸，在地面燃燒設(shè)備中也具有可觀的前景和優(yōu)勢[12]。

研究鋁顆粒點火燃燒的實驗系統(tǒng)主要包括單顆粒激光點火系統(tǒng)和單分散氣溶膠平焰燃燒系統(tǒng)，[13～16]。鋁顆粒燃燒特性參數(shù)包括點火溫度、點火延遲時間、燃燒時間、顆粒表面溫度、氣相火焰與凝相產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)等重要信息[17]。在單顆粒研究基礎(chǔ)上，McGill大學(xué)團(tuán)隊圍繞鋁粉顆粒群燃燒開展了大量工作，測量了鋁粉與氧化性氣體混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚18]。

然而，關(guān)于鋁粉顆粒群燃燒及粒子間相互作用的定量實驗數(shù)據(jù)還比較少，特別是針對鋁粉顆粒群的燃燒診斷不夠充分，相關(guān)物理模型也尚未完善[19]。因此，設(shè)計了振蕩給粉器以脈沖形式產(chǎn)生顆粒群，在甲烷平面擴(kuò)散火焰形成的可控高溫氧化性氛圍中進(jìn)行鋁顆粒群點火和燃燒測試，并建立光學(xué)診斷技術(shù)對鋁顆粒群燃燒過程進(jìn)行表征分析。

1 試驗方法

1.1 燃燒系統(tǒng)

如圖1所示，多元擴(kuò)散平焰燃燒器是使用氣相火焰形成高溫環(huán)境的一種燃燒器，主體結(jié)構(gòu)分為上下兩個部分，分別供應(yīng)燃料氣和氧化氣至燃燒器表面，每根毛細(xì)管出口附近會形成一個微小的甲烷擴(kuò)散火焰，而幾百個小火苗組成了近似平面的擴(kuò)散火焰陣列，在焰后區(qū)形成了溫度較為均勻、氣相組分可控的高溫區(qū)。多元擴(kuò)散平焰燃燒器的最大優(yōu)勢是通過配氣來模擬真實燃燒裝置內(nèi)的高溫氣相環(huán)境和組分氛圍，通過中心供給氣溶膠進(jìn)行顆粒點火和燃燒特性測試，并具備良好的光學(xué)可視化條件。相比于McKenna平焰預(yù)混燃燒器，多元擴(kuò)散燃燒器不具備回火風(fēng)險，擁有更寬的溫度和組分調(diào)節(jié)能力。清華大學(xué)在過去的近十年內(nèi)，利用平焰擴(kuò)散燃燒器進(jìn)行了大量煤粉和鋁粉非均相燃燒、納米功能材料火焰合成的研究，充分運用了該燃燒器的工況調(diào)節(jié)范圍和光學(xué)診斷條件，并且于近些年進(jìn)行了推廣[15,16,20,21]。

圖1 試統(tǒng)和鋁粒群燃燒 Fig.1 Schematic of Experimental Setupand Image of Burning Aluminum Suspensions

使用蜂窩直徑Φ75 mm的平焰燃燒器，采用稀釋甲烷作為燃料氣，通過毛細(xì)管引入金屬蜂窩表面；使用稀釋氧氣作為氧化氣，實際操作中，氧化氣是空氣和氧氣的混合物，直接通過金屬蜂窩中的小孔到達(dá)燃燒器表面，金屬蜂窩是鎳鉻合金制成的孔徑1.6 mm左右的直孔結(jié)構(gòu)。設(shè)計了火焰溫度分別為1500 k、1800 k、200 k、2200 k、2400 K的5個工況參數(shù)點，前四個工況的氧氣濃度為20%；第5個工況為了達(dá)到2400 K的高溫，氧氣度提高到30%。試程中采用射流撞擊式氣溶膠發(fā)生器進(jìn)行供粉，中心給粉氣流約為0.8 L/min，攜帶鋁粉氣溶膠從中心管進(jìn)入燃燒器上方的高溫區(qū)。安放在合適位置的振蕩器使得給粉呈現(xiàn)為脈沖形式，通過高速相機(jī)觀測給粉動態(tài)特性和脈沖周期。

1.2 光學(xué)診斷系統(tǒng)

如圖1所示，采用的光學(xué)診斷系統(tǒng)包括高速顯微攝影、發(fā)射光譜測量和比色法測溫等模塊。

1.2.1 高速顯微攝像

高速顯微攝像系統(tǒng)包含一臺高速相機(jī)（Phantom VEO 410E）和一個全畫幅微距鏡頭（LAOWA CA-Dreamer Macro 2X），系統(tǒng)可以達(dá)到約20 μm的空間分辨率，高速相機(jī)在600×800像素分辨率下幀率可達(dá)到10 000 fps，曝光時間可低至10 μs。這套系統(tǒng)能夠在線觀測鋁顆粒（群）燃燒過程的微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.2 發(fā)射光譜測量

實驗中采用了海洋光學(xué)（Ocean Optics）生產(chǎn)的便攜式光纖光譜儀（HR4000CG-UV-NIR），光路系統(tǒng)如圖1布置，光纖探頭連接了安裝在固定座上的準(zhǔn)直器。光譜儀的記錄間隔約0.25 nm，實際分辨率約0.4 nm左右，在200～1100 nm波長范圍可以快速采集寬光譜數(shù)據(jù)，采集頻率接近100 Hz。使用海洋光學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)光源對整套系統(tǒng)進(jìn)行了波長和相對響應(yīng)強度的校準(zhǔn)，并通過鹵鎢燈光源驗證波長的偏移量不超過0.1 nm，使用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐對可見光和紅外部分的相對響應(yīng)強度進(jìn)行二次校驗。使用光譜系統(tǒng)可采集高溫鋁顆粒的輻射信號以及AlO等氣相物質(zhì)的特征峰信號。進(jìn)而，基于普朗克黑體輻射定律可以獲取固體的表面溫度信息：

式中I為光強度；λ為波長；pT為待測的顆粒表面溫度；h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J/s）；c為光速；ε為表面發(fā)射率；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.381×10-23J/K）。普朗克定律在高溫條件下簡化為維恩方程，在對數(shù)形式下可以進(jìn)行線性擬合，從斜率中可以提取溫度信息，具體操作方法在前期工作中進(jìn)行了描述[17]。此外，在獲得最小擬合誤差的過程中，可以確定顆粒表面發(fā)射率ε(λ,Tp)與波長的關(guān)系。

1.2.3 比色法測溫

比色法測溫技術(shù)同樣是依據(jù)普朗克定律，通?？梢岳脙蓚€特定波長的輻射強度比值進(jìn)行推導(dǎo)，這種方法已經(jīng)成熟應(yīng)用于鋁顆粒燃燒表面溫度的測量[17]。然而文獻(xiàn)中采用的雙高溫計方法相對成本較高，光路和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。相比之下，耶魯大學(xué)和清華大學(xué)等發(fā)展的基于單臺彩色數(shù)碼相機(jī)的比色法具有便捷性和經(jīng)濟(jì)性，具體流程在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹[20,22,23]，這里僅就原理進(jìn)行簡要描述。通常數(shù)碼相機(jī)采用RGB 3個通道記錄色彩信息，而每個通道記錄的信號可視作一定波長范圍內(nèi)透過其濾光片信號的積分：

式中Si為i通道采集的信號強度；τ為曝光時間；λ1、λ2分別為積分下限和上限波長，通常在可見光范圍為400 nm和700 nm，實際計算過程中采用離散積分的方法。η i(λ)為i通道濾光片對不同波長光線的透過率。進(jìn)而，通過不同通道的信號強度積分比值來推導(dǎo)溫度的信息：

在已知發(fā)射率ε(λ,Tp)和透射效率η i(λ)與波長λ的關(guān)系后，可以認(rèn)為上述比值是待測對象表面溫度Tp的單值函數(shù)。表面發(fā)射率ε(λ,Tp)與波長的關(guān)系可通過擬合發(fā)射光譜確定。相對響應(yīng)強度系數(shù)η i(λ)是設(shè)備屬性，不同相機(jī)和通道均可能存在差異，因此對每一臺設(shè)備均需要單獨標(biāo)定。此外，驗證了相機(jī)各通道達(dá)到飽和前，通過“raw”格式記錄的信號強度與入射光強度呈線性關(guān)系。耶魯大學(xué)在公開網(wǎng)站上也提供了從“raw”格式文件提取各像素點RGB通道原始數(shù)據(jù)的開源軟件工具OMA和相關(guān)方法[24]?；谙鄼C(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，以及實測的發(fā)射系數(shù)隨溫度變化規(guī)律，可以根據(jù)公式（3）計算不同溫度下的輻射強度積分比值的理論結(jié)果，建立對照曲線或表格。在得到被測對象的比色數(shù)據(jù)后，查找曲線或表格并進(jìn)行線性插值，可以得到溫度信息。

分析以廣佛兩市2015年11月以來1萬的出租車GPS數(shù)據(jù)和計價器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，限于篇幅，本次僅結(jié)合需求和用地等規(guī)劃廣佛兩市出租車返程點. 通過分析，目前出租車行程起訖點呈現(xiàn)出3個特點：①出行需求集中在兩市毗鄰地區(qū)，并且廣州市境內(nèi)出行需求總量高于佛山市；②局部出行需求呈點狀(如廣州南站)、帶狀分布(廣佛路、花地大道、龍溪大道)分布；③除毗鄰區(qū)域外，廣佛兩市出租車需求集中在客運樞紐和地鐵站，如白云國際機(jī)場、廣州南站、廣州站、廣州東站、芳村客運站以及潯峰崗地鐵站、黃沙地鐵站、西朗地鐵站等.

1.3 鋁顆粒粒徑及形貌

圖2展示了掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的實驗中所使用平均粒徑約為45 μm鋁顆粒微觀形貌。由于制造工藝的原因，一些未燃鋁顆粒呈現(xiàn)為橢球狀，鋁顆粒表面通常覆蓋一層致密氧化鋁薄膜。圖2是在距離燃燒器表面高度約30 mm處，使用熱泳探針采集到的已燃顆粒，可觀測到大量尺寸明顯小于原始粒徑的微小粒子，其尺寸甚至在納米尺度。

圖2 顆粒形貌 Fig.2 Particle Morphology

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁顆粒群分布特征

圖3展示了工況1（T0=1500 K）條件下，高速顯微攝影拍攝到的連續(xù)4幀鋁顆粒圖像，相鄰圖像間隔和曝光時間均大約為1 ms，估計顆粒運動速度約2 m/s。此時顆粒沒有發(fā)生劇烈燃燒，而是經(jīng)歷快速氧化過程，輻射出亮黃色的光?？梢悦黠@分辨出顆粒給粉在空間上不均勻，呈現(xiàn)為脈沖給粉現(xiàn)象。如圖3中虛線所圈出，存在一個顆粒密度較高的球形區(qū)域，在直徑約2 mm的球形空間內(nèi)存在近50個粒子。因此，可以估算球形區(qū)域的局部粒子數(shù)密度約1000個/cm3，質(zhì)量密度接近1 kg/m3。需要說明的是，這種脈沖式給粉周期、局部高密度區(qū)域尺寸、粒子濃度等均存在一定波動。

圖3 工況1（T0=1500 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.3 High-speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 1（T0=1500 K）

2.2 鋁顆粒群燃燒火焰結(jié)構(gòu)

在脈沖式給粉條件下測試了其他工況的點火情形，結(jié)果表明在工況2、3、4，即1800 K、2000 K、2200 K的溫度下，鋁顆粒群均能夠?qū)崿F(xiàn)劇烈燃燒，可以直接觀測到圖1中內(nèi)嵌圖片（T0=2000 K）所示的鋁顆粒群燃燒火焰形貌，中心局部區(qū)域發(fā)出明亮的白光。這也說明相比于單分散顆粒，這種幾十微米的鋁顆粒在高粒子濃度狀態(tài)，可以在不超過1800 K的環(huán)境溫度下點燃。事實上，當(dāng)進(jìn)一步提高給粉濃度時，在1500 K的環(huán)境溫度下偶爾也能實現(xiàn)劇烈燃燒。

圖4展示了高速顯微攝像拍攝到的鋁顆粒群在工況2（T0=1800 K）條件下的燃燒狀況。圖4顯示在距離燃燒器表面約20 mm高度的位置，顆粒開始發(fā)生著火。實際觀測到的點火位置具有一定隨機(jī)性，可能上下浮動幾毫米。著火發(fā)生之后，發(fā)光區(qū)域逐漸增大，形成了直徑略大于2 mm的近似球形火焰區(qū)域，對應(yīng)于圖3中觀測到的粒子密度較高的區(qū)域，火球的運動速度和周期亦與工況1（圖3）較為一致。在劇烈燃燒狀態(tài)下，由于粒子密度較高，中心氧化性組分濃度降低，推測鋁蒸氣遷移到顆粒區(qū)域邊界，與環(huán)境中氧化性組分燃燒，在邊界處出現(xiàn)了亮度明顯增加的球形火焰鋒面。球形火焰面集中在前鋒位置，在火球后方不明顯，且由于前方高溫區(qū)可能對傳熱和流場造成了影響，球形火焰后方更傾向為分散燃燒。

圖4 工況2（T0=1800 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.4 High-Speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 2（T0=1800 K）

球形火焰的燃燒現(xiàn)象在工況2～4，即1800-2200 K條件下具有相似性，但在位置上可能波動。圖5展示了工況4（T0=2200 K）觀測到的鋁顆粒群燃燒圖像，著火之后球形火焰面逐漸擴(kuò)大和縱向拉伸，火焰前鋒的亮度在最后一幀圖像中降低，能夠觀測到內(nèi)部密集分散的粒子。大尺寸氣相火焰面形成的燃燒產(chǎn)物將直接在火焰鋒面處發(fā)生凝結(jié)均相成核，而非單顆粒燃燒狀態(tài)形成尺寸接近初始粒徑的氧化帽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致燃燒凝相產(chǎn)物尺寸變小，這便解釋了圖2中收集到的大量小尺寸燃燒產(chǎn)物粒子。

圖5 工況4（T0=2200 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.5 High-Speed Photography（1000 fps）of Alsuspension at Case 4（T0=2200 K）

2.3 鋁顆粒群燃燒過程溫度測量

圖6展示了光譜儀測量得到的鋁顆粒群在工況3（T0=2200 K）條件下，高度約30 mm位置處的發(fā)射光譜原始曲線、校正曲線和擬合曲線。在工況2～4條件下，測量得到的鋁顆粒群燃燒發(fā)射光譜比較相似，均在480 nm附近出現(xiàn)了AlO的特征信號，且擬合溫度約2800 K。由于金屬燃燒器在高溫條件下產(chǎn)生了一定量的Na和K特征峰信號，在曲線擬合過程中采取分段的方式規(guī)避雜峰干擾，但繪制了550 nm到800 nm范圍的完整曲線。擬合得到的溫度（～2800 K）超過了氧化鋁的熔點（～2320 K）和鋁的沸點（～2700 K），結(jié)合AlO特征信號，與高速相機(jī)觀測到的鋁蒸氣形成氣相球形火焰現(xiàn)象相吻合。

圖6 工況3（T0=2000 K）鋁顆粒群發(fā)射光譜 Fig.6 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case 3（T0=2000 K）

圖7 工況3（T0=2000 K）鋁顆粒群溫度云圖 Fig.7 Temperature Contour of AluminumSuspensionat Case 3（T0=2000 K）

最后，測試了2400 K和30%氧濃度條件下的鋁顆粒群燃燒。圖8中內(nèi)嵌的圖片顯示此時的氣相火焰鋒面尺寸遠(yuǎn)小于圖4和圖5所示的球形火焰，而是由更少數(shù)粒子形成的局部包絡(luò)面，單分散燃燒特征變得顯著。發(fā)射光譜出現(xiàn)了更強烈的AlO特征信號，擬合得到的溫度約2955 K，表明更高溫度和氧濃度條件下發(fā)生了更劇烈的燃燒過程。

圖8 工況5（T0=2400 K）鋁顆粒群發(fā)射光譜 Fig.8 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case （T0=2400 K）

3 結(jié) 論

本文發(fā)展了可控溫度和組分的平焰燃燒器以及振蕩給粉器，結(jié)合先進(jìn)光學(xué)診斷技術(shù)，研究了脈沖式給粉鋁顆粒群在寬溫度范圍的點火和燃燒過程，得到結(jié)論如下：

a）微米級鋁顆粒群局部粒子濃度達(dá)到1000個/cm3，點火環(huán)境溫度不超過1800 K，低于單分散顆粒點火溫度（～2200 K）。

b）高速顯微攝像技術(shù)在1800～2200 K環(huán)境溫度條件下觀測到鋁顆粒群燃燒形成的球形氣相火焰結(jié)構(gòu)，其尺寸超過2 mm，遠(yuǎn)大于初始粒徑（～45 μm），表明鋁顆粒群在高溫氧化性氣氛下形成了新的燃燒模式。

c）發(fā)射光譜探測到AlO特征峰，擬合溫度超過2800 K，比色法測量溫度超過3000 K，均高于鋁沸點和氧化鋁熔點。

4 致 謝

感謝基礎(chǔ)研究項目群、國家自然科學(xué)基金和航天動力先進(jìn)技術(shù)湖北省重點實驗室開放基金。