【摘要】：金屬顆粒常作為固體推進劑的添加劑,其燃燒反應(yīng)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。同時,在武器/核物理設(shè)備的使用過程中,金屬表面會因微噴過程的發(fā)生引發(fā)高溫環(huán)境中金屬顆粒的燃燒現(xiàn)象。目前,針對上述現(xiàn)象的研究有待完善,關(guān)于金屬顆粒燃燒的基礎(chǔ)研究尚不充分,其氧化及燃燒機理尚未完全明確。在燃燒過程中,金屬顆粒有其獨特的物理特性、產(chǎn)物特性和化學(xué)反應(yīng)機理。本文將金屬鋁顆粒與研究較為成熟的單液滴燃燒特性進行對比研究,對顆粒燃燒的基本規(guī)律進行探索。在實驗設(shè)計方面,首先進行單液滴燃燒試驗,對顆粒燃燒的不同實驗方案進行評價,權(quán)衡不同點火方式對實驗結(jié)果的影響;另一方面采用多組分的代用燃料液滴作為研究對象,為分析該新型燃料的噴霧燃燒特性提供依據(jù),以期提升內(nèi)燃機能量利用效率。在論文第三章,采用掛滴法實驗研究了不同配比多組分單液滴的著火和燃燒特性,考察激光和熱絲兩種點火方式對液滴燃燒速率、火焰形貌和著火延遲時間的影響。結(jié)果表明,乙醇-柴油-正丁醇組成的多組分液滴在常重力下燃燒,因其組分沸點分布連續(xù),其直徑在燃燒過程中不間斷減小。液滴燃燒火焰為淚滴形狀的包覆型火焰,隨著柴油配比增加,火焰顏色由藍色轉(zhuǎn)變?yōu)槊鼽S色,火焰高度從約2.5D0逐漸增加到20D0。實驗設(shè)計方面:熱絲加熱時間增加會增加液滴周圍氣體對流強度,從而加快燃燒速率;與熱絲點火相比,激光點火響應(yīng)迅速,對液滴附近氣體干擾小,隨著激光強度的增加,單液滴的著火延遲時間縮短;對于Et20單液滴,當t/tb0.4時,尚處于熱絲加熱階段的火焰高度比沒有熱絲加熱的高約5D0,比激光關(guān)閉后的火焰高度高約5～10D0。在論文第四章,采用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用儀、X射線衍射儀及掃描電子顯微鏡等測試手段,研究了不同升溫速率下微米級鋁粉的氧化特性。結(jié)果表明,微米級鋁粉氧化主要由離子擴散控制,多晶相變氧化機理同樣適用于1～2μm鋁粉。其氧化可分為五個階段;氧化鋁晶型轉(zhuǎn)變、鋁核心熔化膨脹等引起的氧化膜破裂是第二、四階段快速氧化的主要原因;第三階段因θ-Al203出現(xiàn)導(dǎo)致DTG曲線出現(xiàn)較小的增重峰,該峰值溫度隨著升溫速率的減慢而提前。對于微米級鋁粉,粒徑越大,晶型轉(zhuǎn)變溫度越高,顆粒氧化越不完全。結(jié)果還表明擴散驅(qū)動力的選擇對計算活化能產(chǎn)生的影響比較小,鋁粉氧化各階段的活化能與升溫速率關(guān)系不完全統(tǒng)一。在論文第五章,采用固定鋁顆粒、雙激光加熱方式實驗研究了毫米級鋁顆粒的著火和燃燒特性,并將其與單液滴燃燒進行對比。結(jié)果表明,鋁顆粒在空氣中燃燒由初始的非均相表面燃燒轉(zhuǎn)變成氣相擴散燃燒。穩(wěn)定燃燒階段,由于鋁核心氣化和氧化同時進行,氧化膜間歇破裂,火焰亮度和高度存在“震蕩”現(xiàn)象,顆粒上方火焰高度約為顆粒粒徑的1.5倍。與單液滴燃燒相比,鋁顆粒在空氣中的燃燒特點主要有:生成的燃燒產(chǎn)物為固態(tài)氧化物導(dǎo)致其直徑在燃燒過程中逐漸增大;其火焰在由穩(wěn)定的氣相反應(yīng)控制時為包裹型火焰,隨后火焰主要集中在上方;其著火需極大的點火能,著火后還需一定的外部能量才能保證持續(xù)穩(wěn)定的燃燒;在毫米級范圍內(nèi),鋁顆粒的著火延遲比單液滴的大一個量級以上。通過實驗研究,本文系統(tǒng)地分析了微米級和毫米級鋁顆粒的氧化及燃燒特性,充實了金屬顆粒燃燒的理論基礎(chǔ);對比了毫米級鋁顆粒和單液滴在激光點火方式下的燃燒特性,歸納了金屬鋁顆粒的燃燒特點。在實驗設(shè)計方面,通過開展多組分代用燃料液滴的燃燒實驗,考察了不同點火方案對顆粒/液滴燃燒研究的影響,同時也研究了該代用燃料的燃燒特性,為提高其在內(nèi)燃機中的噴霧燃燒特性提供依據(jù)。
【圖文】：

結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種組分由于沸點相近，在燃燒過程中并不存在某種組分優(yōu)先氣逡逑化的階段，因而混合物的燃燒行為與單組分液滴相似，直徑變化與與時間成正比，逡逑見圖１．１。但如果混合物中兩種組分的沸點差異較大，則燃燒過程中液滴的直徑逡逑變化將會分為三個階段，兩段斜線被中間水平線分開，見圖１．２。優(yōu)先揮發(fā)的組逡逑分引起的液滴直徑變化表現(xiàn)在第一階段。在過渡階段，液滴吸熱，直至液滴溫度逡逑達到較難揮發(fā)組分的沸點后，較難揮發(fā)組分在液滴表面建立濃度邊界層，導(dǎo)致液逡逑滴直徑繼續(xù)縮小。在多組分液滴燃燒過程中，微爆是另一個關(guān)注的現(xiàn)象。Ｌａｗ［４］逡逑在文獻［４］中首次提出假設(shè)，當可溶多組分液滴內(nèi)部過熱時，液滴會劇烈破碎，逡逑即出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。隨后該現(xiàn)象被Ｌａｓｈｅｒａｓ等［６］通過實驗研究證實。Ｗａｎｇ［５］在文獻逡逑［５］中提出微爆現(xiàn)象出現(xiàn)與液滴的初始產(chǎn)生條件有關(guān)，也就是說，通過改變液滴逡逑產(chǎn)生方式，，可以誘導(dǎo)或者抑制微爆現(xiàn)象出現(xiàn)。最近，美國的Ｈｏｘｉｅ等［７］研宄了大逡逑豆油和丁醇混合液滴的微爆燃燒行為。實驗結(jié)果表明

邐１５００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋°Ｃ逡逑圖１．４微米級鋁粉在升溫過程中的ＴＧＡ和ＤＴＧ曲線１５１１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋ＴＧＡ邋ｃｕｒｖｅ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎ邋ｇｒａｄｅ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ｐｏｗｄｅｒｓ邋ａｓ邋ａ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ１邋１１逡逑平焰燃燒器是研究人員常用的一種用來測量固、液燃料燃燒時間的實驗裝置，逡逑根據(jù)燃燒方式不同可分為擴散和預(yù)混兩種模式［４ｙ］。Ｆｒｉｅｄｍａｎ和Ｍａｃｅｋ１４７：邋＇＂＾最先逡逑采用平板火焰燃燒器研究鋁粉燃燒，實驗裝置見圖１．５，測量了較大微米級鋁粉逡逑的燃燒時間，結(jié)果表明鋁顆粒燃燒時間與粒徑呈指數(shù)關(guān)系即／？美國新逡逑澤西亞理工大學(xué)的Ｃｏｒｃｏｒａｎ等［５６］利用平焰燃燒器研宄了湍流環(huán)境中鋁顆粒的燃逡逑燒情況，結(jié)果表明鋁顆粒的燃燒速率與湍流強度Ｉ也有關(guān)系，燃燒速率等于層流逡逑中的顆粒燃燒速率乘以（１邋＋邋１８．２１）。清華大學(xué)孔成棟等［３９］利用Ｈｅｎｃｋｅｎ型平焰燃逡逑燒器結(jié)合燃燒診斷技術(shù)研究了納米鋁顆粒的的燃燒特性，結(jié)果表明納米鋁燃燒以逡逑非均相反應(yīng)為主，燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖見圖１．６。逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｔｒｅａｋｓ邋，逡逑ｍ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｇａｓｅｓ邐ｌ逡逑Ｆｌａｔ邋ｔｌａｍｅ邐丨WＯＨ化利逡逑Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂ邋ｅ＊—＊邐—邐Ｉ逡逑＿咖－ｐ＝ｇ－邐Ｓｅｅｒｎｌ
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK16

【參考文獻】

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本文編號：2594637