鋁粉粒徑對含鋁煤油凝膠燃料燃燒特性的影響

［摘 要］ 為探究鋁粉粒徑對含鋁煤油凝膠燃料激波誘導點火的影響規(guī)律，利用紋影法與陰影法對鋁粉粒徑為1.20、7.05 μm及23.63 μm的含鋁煤油凝膠燃料在激波管內(nèi)的點火過程進行了觀察。通過分析測得的壓力信號和鋁粉燃燒產(chǎn)物光信號，對比了含不同粒徑鋁粉的凝膠燃料在激波誘導作用下的點火和燃燒特性。結(jié)果表明：隨著鋁粉粒徑的增大，凝膠燃料霧化后云團的均勻性變差，點火延遲時間也隨之增加，火球的持續(xù)時間以及火球表面的最高溫度均有一定程度的減小。

［關(guān)鍵詞］ "鋁粉粒徑；含鋁煤油凝膠燃料；激波誘導點火；燃燒特性

［分類號］ TQ560. 7；O373

Effect of Aluminum Particle Size Combustion Characteristics of Aluminum-Kerosene Gel Fuel

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to investigate the influence of particle size of aluminum powder on shock wave induced ignition of aluminum-kerosene gel fuel， schlieren method and hadowgraph method were used to observe the ignition process of aluminum-kerosene gel fuel with particle sizes of aluminum powder of 1.20， 7.05 μm and 23.63 μm in shock tube. The ignition and combustion characteristics of gel fuels under shock wave induction were compared by the measured pressure signal and the optical signal of aluminum powder combustion products. The results show that the uniformity of the atomization cloud of the gel fuel deteriorates with the increase of the particle size of the aluminum powder， the ignition delay also increases. The duration of the fireball and the maximum temperature of the fireball surface decrease to a certain extent.

［KEYWORDS］ particle size of aluminum powder; aluminum-kerosene gel fuel; shock wave induced ignition; combustion characteristic

0 引言

隨著航天科技的發(fā)展，推進系統(tǒng)對燃料各方面的性能也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的液體燃料點火延遲時間長，燃燒完成度低［1］。在液體燃料中添加金屬顆粒可以提高燃料在燃燒方面的性能。

此外，添加金屬顆?？梢愿淖?nèi)剂象w系的燃燒行為［2-3］，縮短點火延遲時間［4］，提高燃速和燃燒熱［5-6］。在燃料高能化方面，鋁粉由于具有較高的熱值且成本低廉，受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用［7］。

研究表明，向煤油燃料中添加納米鋁粉后，混合燃料的點火延遲時間會縮短，且自燃點會降低至600 ℃，燃燒效率也會強于純煤油燃料［8］。Zhao等［9］采用LAMMPS軟件模擬了鋁/甲醇納米流體燃料液滴的燃燒過程，在縮短點火延遲時間的同時，鋁粉的加入也改變了甲醇燃燒的中間產(chǎn)物。此外，鋁粉粒徑是影響混合燃料燃燒特性的重要因素。Gan等［10］研究了添加微米級和納米級鋁粉顆粒的鋁/正癸烷燃料液滴的燃燒特性，結(jié)果表明：使用微米級鋁粉顆粒制備的燃料液滴表現(xiàn)出了更強烈的微爆行為。Yu等［ 11］的研究表明，對于氫氣、鋁粉和空氣的混合云團，鋁粉粒徑的減小會導致混合燃料的反應(yīng)速率增加。然而，鋁粉粒徑對混合燃料燃燒特性的影響程度受限于鋁粉的添加量。Shi等［12］研究發(fā)現(xiàn)，當鋁粉添加質(zhì)量分數(shù)小于8 %時，鋁粉粒徑的減小會增大鋁/甲醇納米燃料噴霧爆炸的最大爆炸壓力和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?；當鋁粉添加質(zhì)量分數(shù)大于8 %時，由于鋁粉的團聚行為，鋁粉粒徑的變化不會對噴霧爆炸強度和火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生顯著影響。Qiu等［13］發(fā)現(xiàn)，當鋁粉顆粒的粒徑較小時，乙醇-生物柴油混合液滴的燃燒持續(xù)時間會隨著鋁粉含量的增加而增加；而當鋁粉顆粒較大時，液滴的燃燒持續(xù)時間則會縮短。

當前，關(guān)于混合燃料燃燒特性的研究方向主要集中在混合燃料處于靜止狀態(tài)下的燃燒現(xiàn)象，缺乏動態(tài)條件下混合燃料的點火、燃燒演化行為研究?；诖耍x定以添加質(zhì)量分數(shù)30%鋁粉的含鋁煤油凝膠燃料作為研究對象，探究鋁粉粒徑對凝膠燃料燃燒特性的影響規(guī)律。利用激波對含鋁煤油凝膠燃料進行誘導點火試驗，觀察在激波誘導點火過程中的響應(yīng)行為，探討鋁粉粒徑對于含鋁煤油凝膠燃料燃燒特性的影響。

1 實驗部分

1.1 燃料制備

稱取一定質(zhì)量的煤油于燒杯中，添加無機凝膠劑，使煤油凝膠化［14］。用手持式高速勻漿機預混合10 min，向混合后的煤油凝膠基質(zhì)分別加入3種不同粒徑的鋁粉。然后，采用高速變頻分散器對凝膠基質(zhì)與鋁粉的混合體系進行分散，分散時間為10 min，得到含鋁煤油凝膠燃料。3種鋁粉的中位粒徑d50分別為1.20、7.05 μm及23.63 μm，粒徑分布如圖1所示。根據(jù)鋁粉粒徑的不同，將凝膠燃料命名為KA-1.20、KA-7.05及KA-23.63。煤油凝膠燃料中各組分質(zhì)量比為w（煤油）：w（無機凝膠劑）：w（鋁粉）=13：1：6。

1.2 實驗方法

1.2.1 測試系統(tǒng)

采用如圖2所示的水平激波管。激波管全長2.68 m，包括高壓段、低壓段與測試段。其中：高壓段長1.30 m，內(nèi)徑為69 mm，左端面布置點火電極，可連接高壓點火器；低壓段長0.88 m，內(nèi)徑為69mm，左端連接高壓段，右端連接測試段；測試段長0.50 m。內(nèi)部尺寸為50 mm×50 mm，中間開有190 mm×50 mm觀察窗，末端放置尺寸為50 mm×50 mm的鋼制墊塊，延伸至觀察窗末端。

在激波管上共布置5個壓力傳感器。其中：低壓段布置2個壓力傳感器（PT1和PT2）；測試段布置3個壓力傳感器（PT3、PT4和PT5）。測試段傳感器位置如圖3所示。壓力傳感器PT3位于距觀察窗左側(cè)85 mm處；PT4位于觀察窗左側(cè)，用于測量入射激波射入觀察段時的激波壓力；PT5位于觀察區(qū)末端與鋼制墊塊交界處，用于測量反射激波壓力。通過PT3與PT4測得的激波到達時間，可計算得到入射激波的馬赫數(shù)Ma，計算公式如下：

式中：△l為PT3與PT4間距;△t為PT3與PT4激波到達的時間差;c0為當?shù)芈曀佟?/p>

凝膠燃料放置于觀察窗中心位置，正上方布置有光纖測溫探頭，采集鋁粉燃燒時發(fā)出的光輻射信號，對鋁粉燃燒時產(chǎn)生的510、 650、 700、 750 nm波長光進行收集與處理，得到燃料燃燒的溫度。

采用紋影法對激波的傳播過程進行觀察。紋影法被廣泛應(yīng)用于流場的可視化［15］，具有高靈敏度，可以直觀地觀察激波的位置、傳播過程以及波后區(qū)域狀態(tài)。采用Z型雙反射鏡光路紋影，如圖4所示。光源經(jīng)聚光透鏡后，從狹縫中射出至凹面反射鏡，反射至另一凹面反射鏡，經(jīng)刀口后射入高速攝像機。

采用陰影法采集燃料燃燒過程的圖像，獲得燃料點火延遲時間及火球發(fā)展過程，實驗裝置如圖5所示。在觀察窗后布置光源，將高速相機布置在觀察段另一側(cè)，布置光源用以增強燃料霧化后云團與環(huán)境的對比度，獲得燃料霧化及燃燒的更多信息。同時，采用數(shù)據(jù)采集儀搭配壓力傳感器記錄壓力信號，多譜線測溫系統(tǒng)搭配光纖接頭采集光纖信號，壓力信號與光纖信號采樣頻率均為1 MHz。采用高速攝像機采集可視圖像，采樣頻率為60 000幀/s。

1.2.2 實驗過程

如圖6所示，在距離點火端1.3 m處安裝厚度0.05 mm的聚氨酯膜片，對高壓段進行抽真空處理，充入一定量的氫氧混合氣體；點燃氫氧預混氣體后，高壓段發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，爆轟波破膜后形成向低壓段傳播的入射激波；隨后運動至觀察段，并作用于觀察窗中心處的凝膠燃料。

2 結(jié)果與分析

2.1 激波傳播過程

將入射激波作用于燃料的時刻定義為0時刻，該時刻燃料受到激波帶來的強擾動，在入射激波及波后高速氣流作用下，燃料開始發(fā)生霧化。剝離下來的燃料被高速氣流帶走，形成羽流狀云霧。入射激波作用于激波管右端面產(chǎn)生左行反射激波，將反射激波與霧化后的燃料云團發(fā)生接觸的時刻定義為t1時刻。反射激波與燃料云團接觸后，經(jīng)過一段時間，云團出現(xiàn)火焰，將初始燃燒時刻定義為t2時刻，點火延遲時間△t為t2時刻與t1時刻之差：

△t=t2-t1。（2）

圖7為入射激波Ma＝3.12時壓力傳感器記錄的激波時程曲線，縱坐標為與PT5的間距。

圖7中，藍色點劃線表示入射激波的傳播過程，斜率代表入射激波的傳播速度；紅色點劃線展示了反射激波的傳播過程與傳播速度;橙色虛線表示經(jīng)固壁面反射后形成的反射激波于t1時刻作用于燃料。

膜片破裂后，激波進入激波管低壓段，先后經(jīng)PT1和PT2，在此處的峰值壓力分別為2 433.79 kPa和1 245.70kPa。隨后激波進入測試段，傳感器PT3測得壓力為1 302.01 kPa，觀察窗入口處壓力傳感器PT4測得壓力為1 107.76 kPa。激波于0時刻作用于燃料，使燃料發(fā)生霧化。伴隨燃料的霧化，入射激波右傳到達激波管右端面，此時，入射激波壓力衰減至845.54 kPa。在激波管右端面處，入射激波作用于固壁面發(fā)生反射，形成反射激波，反射激波壓力為4 272.90 kPa，遠遠大于入射激波的壓力，約為入射壓力的3.85倍?？梢钥闯觯喝肷浼げㄔ趥鞑ミ^程中持續(xù)衰減，但壓力在PT3處有略微回升，這是由低壓段進入觀察段時管徑變小導致的。

由PT1與PT2測得的壓力可知，膜片破裂后激波以Ma=3.97 進行傳播，傳播至測試段入口處，衰減至Ma=3.25，且以該狀態(tài)進入測試段。測試段激波傳播的Ma=3.12，與入口處相比衰減了3.4 %。

2.2 燃料霧化過程

燃料的霧化特性會對燃燒效果產(chǎn)生影響。當環(huán)境內(nèi)燃料云團到達可燃濃度范圍時，云團才能順利點燃，過高或過低的燃料濃度都會對燃料點火產(chǎn)生影響。圖8為Ma=3.12條件下KA-1.20、KA-7.05及KA-23.63燃料的霧化過程，時間段為0～133.2 μs。受到入射激波的強擾動作用，部分燃料脫離凝膠燃料主體部分并隨激波向右傳播，形成霧狀的云團，將云團分為霧化區(qū)域和核心區(qū)域。

當云團濃度較小時，云團的透光程度較強，圖像上反映為云團灰度減小、顏色變淺。隨著鋁粉粒徑的增大，霧化區(qū)域的灰度減小，核心區(qū)域與霧化區(qū)域的分界變得明顯。這是由于鋁粉粒徑增大，使得燃料的黏度減?。?4］，被高速氣流剝離，進入霧化區(qū)域的燃料更少，致使霧化區(qū)域濃度變小，核心區(qū)域與霧化區(qū)域的燃料云團濃度差變大，均勻性變差。同樣，由于黏度的減小，被入射激波剝離進入霧化區(qū)域的燃料會更迅速地霧化成更小的顆粒，而這一現(xiàn)象加劇了2個區(qū)域之間燃料云團的濃度差。

對比KA-1.20與KA-7.05可看出：KA-1.20燃料云團整體灰度變化不明顯，濃度相差較小，只有云團末端灰度有較為明顯的差距；而KA-7.05霧化后，霧化區(qū)域與核心區(qū)域有著明顯的灰度差距，且根據(jù)KA-7.05的t1時刻（133.2 μs）圖像可以看出，云團距核心區(qū)域越遠，灰度越小;在霧化過程中，燃料KA-23.63一經(jīng)離開核心區(qū)域，迅速霧化破碎為更為細小的顆粒，在圖像上較難觀測區(qū)分出霧化區(qū)域。

2.3 燃料燃燒過程

為進一步說明入射激波作用后燃料的響應(yīng)行為，選取KA-1.20結(jié)合紋影場進行闡述與分析。如圖9所示，入射激波以Ma=3.12在測試段進行傳播，在0時刻接觸KA-1.20。由于燃料與支架相對于入射激波為超音速運動，所以在入射激波左側(cè)出現(xiàn)了脫體激波，隨著波后高速氣流的速度衰減，脫體激波逐漸變?nèi)酢?9.9 μs時刻，入射激波作用于右端面，發(fā)生反射，形成超壓反射激波，并于t1時刻（133.2 μs）與右行的可燃性云團接觸，而后繼續(xù)左傳。由149.8、166.5 μs以及183.2 μs 3幅不同時刻的圖片可以看出，當反射激波掠過可燃性云團時，被反射激波掠過部分云團的運動速度幾近停滯，且逐漸有左行的趨勢，未被掠過部分的運動方向則保持不變。如300.0 μs所示，隨著反射激波完全掠過可燃云團，云團的右行運動停滯，轉(zhuǎn)而向左緩慢移動，但更多則是向上、下兩側(cè)擴散。

如圖9的166.5 μs時刻所示，云團右側(cè)出現(xiàn)了微弱火焰，該時刻為云團燃燒的初始時刻t2，即點火延遲時間△t為33.3 μs?；鹧嬗捎蚁蜃笤诳扇荚茍F內(nèi)傳播，初始時傳播較慢，逐漸蔓延至整個可燃云團，燃燒現(xiàn)象直至2 600.0 μs時刻結(jié)束，火球持續(xù)時間為2 433.5 μs?；鹎蛘w呈橘紅色，為煤油氣化燃燒產(chǎn)生的橘紅色火焰；而火球內(nèi)部呈現(xiàn)白色，則是鋁粉參與燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的白色火焰。鋁粉的添加提高了反應(yīng)系統(tǒng)的能量，但使得燃料過于富集，出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象。這種不完全燃燒產(chǎn)生了大量的碳煙。如圖9中1 316.7 μs所示，在火焰圖像中可以清晰地觀察到燃料不完全燃燒產(chǎn)生的強烈煙霧。

2.4 粒徑對燃燒過程的影響

圖10為KA-1.20、KA-7.05以及KA-23.63在入射激波Ma=3.12條件下，反射激波誘導后云團點火以及火球的發(fā)展過程?？梢钥闯觯轰X粉粒徑小的KA-1.20和KA-7.05點火延遲時間更短，在183.3 μs時已經(jīng)發(fā)生點火。粒徑更小的KA-1.20在該時刻的火焰亮度更大;同時，粒徑較大的KA-7.05只出現(xiàn)了零星的火星;而粒徑更大的KA-23.63在此時尚未出現(xiàn)火焰。直至200.0 μs，KA-23.63出現(xiàn)點火行為。

可燃云團發(fā)生點火行為后，火焰從右向左傳播。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，KA-1.20的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，?83.3 μs時刻，火球面積最大；發(fā)展至683.3 μs，火焰幾乎傳播到整個可燃云團。由于液體更容易氣化，在燃燒反應(yīng)中，煤油先于鋁粉顆粒氣化形成可燃氣體，氣化后密度減小，可燃氣體被推至火球外層參與燃燒?？扇細怏w燃燒的溫度較低，所以火焰呈現(xiàn)橘紅色。鋁粉顆粒的氣化難度較大，在氣化的同時，鋁粉顆粒也參與了燃燒反應(yīng)。因此，鋁粉顆粒的燃燒集中在火球中部。KA-1.20黏度較強且鋁粉粒徑最小，霧化過程中，鋁粉被包裹在體系內(nèi)部，在可燃空氣云團中均勻分布，煤油燃燒產(chǎn)生的熱量能夠有效地傳遞至鋁粉表面，支撐鋁粉升溫，達到鋁粉參加反應(yīng)的溫度。

KA-23.63形成的火球亮度最低，火球并不是成團燃燒，與KA-1.20、KA-7.05成團燃燒的火球有較大區(qū)別：1）由于KA-23.63的鋁粉顆粒較大，隨著粒徑的增大，燃燒機理從動力學控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散控制［16］，鋁粉的點火能呈增大趨勢［17-19］。理論計算和實驗表明，鋁粉的粒徑大于某一值（約3 μm）時，鋁粉由單個點火燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閳F聚燃燒，導致燃燒效率下降［16， 20-21］。2）KA-23.63黏度較低，體系對鋁粉束縛能力較弱，在霧化過程中，鋁粉剝離出體系。使得煤油與鋁粉在空間上分布不均勻，煤油燃燒產(chǎn)生的熱量未有效地傳導至鋁粉顆粒，造成鋁粉不完全燃燒，且過于分散的鋁粉顆粒也使得鋁粉難以團聚燃燒。

KA-7.05也有著較小的粒徑與較高的黏度，形成的火球與KA-1.20較為類似，中部為白色的高溫火球，但火球表面仍能看出與KA-23.63類似的現(xiàn)象：火球表面為松散的顆粒狀燃料燃燒，而不是氣化煤油燃燒產(chǎn)生的橘紅色火焰。

通過高速相機測得的點火延遲時間△t和火球持續(xù)時間t如表1所示?？梢钥闯觯喝剂系狞c火延遲時間△t 隨鋁粉粒徑的增大而增加；而火球持續(xù)時間t則逐漸縮短，其中，KA-7.05與KA-23.63的火球持續(xù)時間相差較大。鋁粉粒徑的增大使得燃料在霧化時更為分散，燃料云團未能較好地集聚，鏈式燃燒反應(yīng)傳播受阻，從而影響了點火時間;且過于分散的燃料分布以及較大的鋁粉粒徑導致燃料云團不能有效地參與燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)不完全，使得火球的持續(xù)時間t縮短。

2.5 粒徑對火球溫度的影響

火球表面的最高溫度如表2所示。KA-1.20、KA-7.05、KA-23.63火球表面的平均最高溫度分別為1 458.2、1 329.8、1 166.9 K。

表明隨著鋁粉粒徑的增大，火球表面的最高溫度呈下降趨勢。其中，KA-7.05相較于KA-1.20，火球表面最高溫度下降了128.4 K，約為KA-1.20溫度的8.8%;KA-23.63與KA-1.20相差291.3 K，下降了20.0 %。說明鋁粉粒徑影響了燃料燃燒時的能量輸出，導致火球表面的最高溫度下降幅度較大，這與2.4節(jié)得到的結(jié)論相對應(yīng)。

火球溫度的時程曲線能更直觀地體現(xiàn)燃料燃燒反應(yīng)隨時間的變化。圖11是KA-1.20、KA-7.05以及KA-23.63典型的火球表面最高溫度隨時間的變化曲線。

在火球發(fā)展階段，KA-1.20的小粒徑鋁粉可以更快地參與反應(yīng)，將火球溫度抬升至較高且較為穩(wěn)定的溫度，為1 450 K左右;但火球溫度維持在較高溫度的時間較短，為0.303 ms。KA-7.05雖然在火球發(fā)展階段溫度上升較慢，火球峰值溫度也較低，在1 300 K附近，但維持在較高溫度的時間較長，為0.456 ms，約為KA-1.20的1.5倍。由于KA-23.63的峰值溫度較低，該燃料在發(fā)生燃燒反應(yīng)后迅速達到1 200 K左右的峰值溫度，而后一直持續(xù)在峰值附近緩慢燃燒，這一過程持續(xù)約0.519 ms。

3 結(jié)論

以不同粒徑的含鋁煤油凝膠燃料作為研究對象，利用紋影法與陰影法對燃料的激波誘導點火現(xiàn)象進行觀測，研究了鋁粉粒徑對燃料霧化特性以及燃燒特性的影響。研究結(jié)論如下：

1）鋁粉粒徑顯著影響含鋁煤油凝膠燃料的霧化行為。隨著鋁粉粒徑的增大，含鋁煤油凝膠燃料的黏度降低，受激波作用后，核心區(qū)域與霧化區(qū)域的燃料濃度相差較大；同時，大粒徑的鋁粉在霧化過程中更容易被剝離出體系，造成煤油與鋁粉在空間上分布不均勻。

2）對不同粒徑含鋁煤油凝膠燃料的燃燒過程進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在含大粒徑鋁粉的煤油凝膠燃料所形成的可燃性云團中，鋁粉分布較為分散，導致點火延遲時間增加；且鋁粉粒徑的增大造成了鋁粉反應(yīng)不完全，火球持續(xù)時間縮短。

3）由于鋁粉粒徑增大導致的鋁粉反應(yīng)不完全，使得火球表面的峰值溫度減小。隨著粒徑增大，火球表面的峰值溫度會進一步降低。但鋁粉粒徑適量的增加會延長火球峰值溫度的持續(xù)時間，粒徑由1.20 μm增加至7.05 μm，火球峰值溫度的持續(xù)時長增加至原時長的1.5倍。

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