微小圓管中B/AP混合物燃料的傳熱和燃速研究①

李和平，汪 洋，周俊虎，劉建忠，敖 文，楊衛(wèi)娟，岑可法

(1.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027;2.浙江大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，杭州 310027)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的微型化發(fā)展，未來航天器的發(fā)展目標(biāo)可能由很多飛行成編隊(duì)的微型航天器組成，而不是單一的較大的航天器。微推進(jìn)系統(tǒng)作為微型航天器的核心部件，為其提供方位保持、姿態(tài)控制、重力補(bǔ)償和軌道調(diào)整等。因?yàn)橐簯B(tài)和氣體燃料的泄露、高壓儲(chǔ)存和技術(shù)復(fù)雜性、污染等問題，且伴隨MEMS的集成技術(shù)，固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器體積可以更小，結(jié)構(gòu)可更簡(jiǎn)單，特別適合微飛行器整合和小型化高層次的應(yīng)用［1］。國內(nèi)外［2－9］主要針對(duì)微推力器和微推進(jìn)系統(tǒng)的推力測(cè)試和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，對(duì)推進(jìn)劑燃料在微小尺度環(huán)境下的燃燒性能研究及改造方案報(bào)道很少［10－11］。因此，研究固體推進(jìn)劑在微小尺度下的燃燒性能，對(duì)固體推進(jìn)劑燃料的高效穩(wěn)定燃燒和在微推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要意義。

硼具有較高的質(zhì)量熱值和體積熱值，且硼燃燒產(chǎn)物潔凈、分散性好，可以顯著減小二相流損失、提高噴射效率［12］，使硼富燃料推進(jìn)劑成為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃料。但同時(shí)硼的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，難以熔化和汽化，實(shí)際應(yīng)用中存在點(diǎn)火溫度高、點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)、燃燒效率低等問題［13］，因此如何實(shí)現(xiàn)硼顆粒的順利點(diǎn)火和高效燃燒尤為重要。AP是推進(jìn)劑的主要添加劑之一，作為強(qiáng)氧化劑，易于分解產(chǎn)生大量的氧氣。因此，本文選取無定形硼和AP制成的混合物作為研究對(duì)象。

對(duì)于小尺度燃燒系統(tǒng)，大的比表面積導(dǎo)致嚴(yán)重的散熱損失，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效應(yīng)也越顯著。另外，由于燃燒室尺度空間的減小，傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法，如布置熱電偶和燃速測(cè)試方法，如靶線法、光靶法等無法適用。因此，本文借助紅外熱像儀拍攝記錄了微小圓管內(nèi)樣品的點(diǎn)火燃燒過程，避免了測(cè)量對(duì)火焰流場(chǎng)的干擾。通過微小圓管壁面溫度圖，分析其內(nèi)部熱量的傳遞過程，并借助GRAFULA軟件算得燃面的移動(dòng)速度(熱量的傳播速度)，研究了管徑尺寸、燃料配比等因素對(duì)燃速的影響，為硼富燃料推進(jìn)劑在微推進(jìn)系統(tǒng)中的高效穩(wěn)定燃燒提供理論資料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 藥劑配方和樣品的制備

粒徑為 1.5 ～2.0 μm 的無定形硼粉(B)，純度為95%;AP，分析純。

壁厚1 mm，內(nèi)徑分別為2、3、4、5 mm 的石英玻璃圓管做切面處理，上底長(zhǎng)90 mm、下底長(zhǎng)100 mm。

用高精度電子天平分別量取適量的無定形硼粉和AP，放入稱量瓶，在磁力攪拌機(jī)上充分機(jī)械振蕩混合，制成無定形B/AP質(zhì)量配比分別為1∶1、1∶2、1∶3的混合物樣品。

分別將上述3種樣品采用分段壓裝法裝入上述4種微小圓管。其中的藥柱上底長(zhǎng) 30 mm，下底長(zhǎng)40 mm，藥柱密度為1 200 kg/m3±10%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

FLIR ThermaCAM S65紅外熱像儀，拍攝頻率設(shè)定為60 Hz，溫度區(qū)間選取300～1 200℃，因石英玻璃的表面輻射率為0.86，因此儀器的比輻射率設(shè)定為0.86。圖1是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。

用電點(diǎn)火槍加熱微小圓管做切面處理一端的混合物燃料，加熱到300℃左右時(shí)，AP開始熱分解，釋放出大量的熱量和氧氣，為硼粉的氧化提供熱源和氧化劑。當(dāng)混合物燃料實(shí)現(xiàn)燃燒自維持時(shí)，停止對(duì)其加熱，微小圓管內(nèi)自入口往下游的燃料依次被預(yù)熱、點(diǎn)燃，可觀測(cè)到燃面的移動(dòng)。為了研究整個(gè)點(diǎn)火燃燒過程，實(shí)驗(yàn)開始前即開啟紅外熱像儀的錄像功能，實(shí)時(shí)記錄紅外圖片，進(jìn)而可得到微小圓管壁面上每個(gè)點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻的溫度值。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of the experimental system

圖2 混合物燃料穩(wěn)定、同步燃燒階段的紅外圖像Fig.2 Infrared images of the mixture fuel in the stage of stable and simultaneous combustion

1.3 燃速分析方法

推進(jìn)劑燃速是一極為重要的性能參數(shù)，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行具有重要作用。這里的燃速指燃料的燃面在管道內(nèi)的移動(dòng)速度，是判別燃燒穩(wěn)定性和性能的重要參數(shù)。由于微小圓管中燃燒室尺度空間的減小，傳統(tǒng)的燃速測(cè)試方法如靶線法、光靶法等無法適用，且固體藥劑在微小細(xì)圓管中的燃燒現(xiàn)象比較復(fù)雜。本文借助圖表取點(diǎn)GRAFULA軟件對(duì)從紅外錄像中導(dǎo)出的實(shí)時(shí)紅外圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到樣品在微小圓管中的燃速［10］，且能夠直觀地分析火焰形貌，并避免了測(cè)量對(duì)火焰流場(chǎng)的干擾。下面以內(nèi)徑5 mm微小圓管裝填B/AP配比為1∶2的混合物為例，說明燃速的計(jì)算方法。

鑒于從第540幅紅外圖開始，燃面平穩(wěn)地移動(dòng)，取圖2所示6幅圖導(dǎo)入Grafula軟件中畫坐標(biāo)、取點(diǎn)、讀取坐標(biāo)值。

紅外熱像儀拍攝視窗總長(zhǎng)155 mm，定義最右側(cè)斷面上的某點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，微小圓管的中軸線為X軸，如圖3所示。則可以讀出燃面與X軸交點(diǎn)的X坐標(biāo)。定義第540張高速圖片的相對(duì)時(shí)間為0，相對(duì)位移為0，可以得到6組不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位移，進(jìn)而得到燃速。

圖3 在Grafula軟件中畫坐標(biāo)、取點(diǎn)、讀取坐標(biāo)值示意圖Fig.3 The schematic diagram of paiting the coordinate，taking points and reading coordinate values in Grafula software

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同因素對(duì)微小圓管內(nèi)B/AP混合物燃料燃速的影響

本文用紅外熱像儀記錄了B/AP配比為1∶1、1∶2和1∶3的3種混合物燃料分別在壁厚1 mm，內(nèi)徑5、4、3、2 mm微小圓管中點(diǎn)火燃燒的紅外錄像，研究管徑尺寸和B/AP配比對(duì)燃速的影響，見圖4和圖5。

2.2 管徑尺寸對(duì)燃速的影響

由圖4可見，微小圓管中B/AP配比1∶1樣品的燃速隨管徑減小而增大。因?yàn)槲⑿A管中燃料的燃燒穩(wěn)定性由壁面熱損失和微管道效應(yīng)共同耦合作用［10］。其中，圓管的熱損失率:

式中 q1為單位面積熱損失，J/m2;F為圓管反應(yīng)區(qū)內(nèi)表面積，m2;qc為單位質(zhì)量反應(yīng)熱，J/kg1;ρ為藥劑密度，kg/m3;V為藥劑體積，m3;r為圓管的內(nèi)半徑，m;l為反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度，m。

因圓管和燃料一定，q1和ρ不變，熱損失率η與管徑r和單位質(zhì)量反應(yīng)熱qc成反比。因B/AP配比1∶1樣品的反應(yīng)熱比較大，熱力學(xué)計(jì)算值是605.63 kJ/mol，管徑在5.0 ～2.0 mm 之間的微小變化對(duì)熱損失率的影響不大，可忽略不計(jì)。

圖4 燃速隨圓管管徑不同的變化趨勢(shì)Fig.4 Trend charts of the burning rate with different diameters of tubes

此外，混合物樣品燃燒產(chǎn)生大量的固體顆粒，會(huì)堆積滯留在微小圓管內(nèi)，阻礙氣體產(chǎn)物的流出。因?yàn)楣軓皆叫?，表面力、粘性力、摩擦力等微管道效?yīng)越明顯，堆積滯留在管道內(nèi)的固態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物也越多，這樣有更多的熱量可供給上游未燃燃料，預(yù)熱溫度升高，因此燃速也就越大。實(shí)驗(yàn)得到的紅外錄像也直觀顯示，管徑越小，固體顆粒噴出的越少，滯留在管內(nèi)的產(chǎn)物也越多。另外，管徑越小，裝樣越少，預(yù)熱未燃樣品所需的時(shí)間越少，燃速越大。

由此可見，對(duì)于反應(yīng)熱較大的B/AP配比1∶1的混合物樣品，微管道效應(yīng)是不同管徑微小圓管中燃速變化的主導(dǎo)因素。管徑越小，滯留產(chǎn)物越多，預(yù)熱溫度越高，燃速越大。

B/AP配比1∶2的樣品在5.0～2.0 mm管徑圓管中的燃速整體小于配比1∶1的，且燃速在3.5 mm/s左右波動(dòng)不大。因?yàn)锽/AP配比1∶2樣品的反應(yīng)熱較小，熱力學(xué)計(jì)算值是580.00 kJ/mol，此時(shí)管徑變化對(duì)壁面熱損失的影響不能忽略，即管徑越小，壁面損失越大，燃速越小;而微管道效應(yīng)隨著管徑的減小而增大，對(duì)燃速起增大作用。因此，由于兩者的相互耦合作用，燃速上下浮動(dòng)不大。

因B/AP配比1∶3樣品中硼含量的減少，反應(yīng)熱只有558.07 kJ/mol，燃料產(chǎn)熱量急劇下降，燃燒中心溫度降低不利于未燃燃料的預(yù)熱和點(diǎn)燃，使其在5.0～4.0 mm管徑圓管中的燃速明顯小于上述2種樣品。且當(dāng)微小圓管內(nèi)徑減小到3 mm和2 mm時(shí)，因?yàn)檩^小的產(chǎn)熱量和較大比表面積引起的較大散熱損失，導(dǎo)致燃燒無法自維持，產(chǎn)生熱熄火現(xiàn)象。

綜上所述，對(duì)B/AP配比1∶1的混合物燃料，微管道效應(yīng)是引起燃速變化的主導(dǎo)因素;對(duì)B/AP配比1∶3的混合物燃料，壁面熱損失是引起微燃燒不穩(wěn)定的主要因素;對(duì)B/AP配比1∶2的混合物燃料，燃速變化是壁面熱損失和微管道效應(yīng)兩者的耦合作用。

2.3 B/AP不同配比對(duì)燃速的影響

從圖5可看出，樣品在不同管徑大小微小圓管中的燃速均隨B/AP配比的減小而減小。因?yàn)橄嗤軓綀A管中的裝樣質(zhì)量一定，B/AP配比越小的樣品，B的含量越少;而B與AP分解的氧化劑反應(yīng)的產(chǎn)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AP自身分解的所釋放的熱量。因此B含量的減少導(dǎo)致燃燒中心區(qū)域溫度的降低，預(yù)熱管內(nèi)相同質(zhì)量的未燃樣品需要更長(zhǎng)的時(shí)間，燃速也就越小。

圖5 燃速隨B/AP配比不同的變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trend charts of the burning rate with different B/AP ratio

另外，AP控制著混合物燃料在微小圓管中的點(diǎn)火燃燒進(jìn)程。AP要實(shí)現(xiàn)分解放熱，首先要吸收足夠的熱量以達(dá)到分解溫度。熱力學(xué)計(jì)算得到AP從室溫25℃升到分解溫度300℃的單位吸熱量為53.010 37 kJ/mol。隨著B/AP混合物燃料中B/AP比值的減小，AP含量增大，單位混合物燃料要達(dá)到分解溫度需要吸收的熱量也越大，降低了燃燒中心的溫度，即降低了預(yù)熱溫度，使燃速減小。

不同管徑圓管中燃速隨B/AP配比變化的對(duì)比見表1。由表1可得，5 mm管徑圓管中，B/AP配比是1∶1、1∶2、1∶3 的樣品的燃速分別是 4.19、3.67、2.22 mm/s，最大相差 1.97 mm/s。在 4 mm 管徑圓管中，B/AP配比是1∶1、1∶2、1∶3的樣品的燃速分別是4.55、3.72 、1.94 mm/s，最大相差 2.61 mm/s。當(dāng)管徑減小到3 mm和2 mm時(shí)，有熄火現(xiàn)象出現(xiàn)，表明燃速差值更大?？梢?，管徑越小，B/AP配比變化對(duì)燃速的影響越大。因?yàn)殡S管徑減小，圓管比表面積增大，熱損失增加，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效應(yīng)也越顯著，這些都將影響樣品在微小圓管中的燃燒特性和燃燒穩(wěn)定性。因此可通過選取填充反應(yīng)熱較大的燃料來彌補(bǔ)較高的熱損失，實(shí)現(xiàn)微小圓管中燃料的穩(wěn)定燃燒，但也不能過高，以防止擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生?？傊瑧?yīng)當(dāng)根據(jù)微推進(jìn)器燃燒室尺寸選配反應(yīng)熱合理的燃料作為填充燃料，以防止因?yàn)樯嵋鸬臒嵯ɑ瓞F(xiàn)象和反應(yīng)過于劇烈引起的擊穿現(xiàn)象。

表1 不同管徑圓管中燃速隨B/AP配比變化的對(duì)比Table 1 The correlation table of the burning rate with different B/AP ratio in mini-tubes of different diameters

2.4 微小圓管的壁面溫度和內(nèi)部傳熱規(guī)律

紅外錄像實(shí)時(shí)記錄所拍視窗內(nèi)各點(diǎn)的溫度值。通過分析填有B/AP配比1∶1的混合物樣品、內(nèi)徑5 mm微小圓管的壁面溫度，研究其內(nèi)部傳熱。取微小圓管中軸線上距離入口分別為 4.5 、6.0 、7.5、9.0、10.5 mm的5個(gè)點(diǎn)為研究對(duì)象，繪制出5處壁面溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。因紅外熱像儀檢測(cè)溫度區(qū)間為300～2 000℃，所以300℃以下的溫度，圖6中記為300℃。熱像儀開始檢測(cè)到300℃以上溫度的時(shí)刻定義為0 s，整個(gè)觀測(cè)時(shí)間為12.33 s。

圖6顯示，中軸線上5個(gè)點(diǎn)的溫度均呈現(xiàn)先升高，到達(dá)最高點(diǎn)，再降低的趨勢(shì)。可知，位于該5處的燃料均經(jīng)歷了一個(gè)先預(yù)熱，燃燒，再熄滅的過程。對(duì)比5條曲線可知，紅外熱像儀最先捕捉到離入口4.5 mm點(diǎn)的溫度，再依次是離入口 6.0、7.5、9.0 mm 點(diǎn)，最后是離入口10.5 mm點(diǎn)。且5處的溫度依次達(dá)到最高值970℃，并保持1～2 s。說明微小圓管入口處的燃料先被點(diǎn)燃，隨著燃燒的進(jìn)行，從入口到尾端的燃料也依次被預(yù)熱、點(diǎn)燃?？梢娢⑿A管內(nèi)的燃料在軸線方向存在熱傳導(dǎo)，火焰中心燃燒釋放的熱量傳遞給相鄰未燃的燃料，隨著熱量的累加，該處的燃料達(dá)到著火點(diǎn)燃燒，釋放的熱量再傳遞給下游的未燃樣品。紅外錄像也顯示燃面沿軸線從入口向尾端移動(dòng)。另外，離入口最近4.5 mm點(diǎn)的燃料并沒有因?yàn)橄缺稽c(diǎn)燃而先熄滅，5點(diǎn)的溫度幾乎同時(shí)有下降的趨勢(shì)。因?yàn)橄掠稳剂现械腂被氧化前，AP先分解，產(chǎn)生的O2擴(kuò)散到達(dá)上游，未燃盡的B繼續(xù)被氧化。

圖6 微小圓管中軸線上離入口不同距離點(diǎn)的壁面溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Change curves of the wall temperature in the central axis of microtubes with different distances from the entrance

圖7 不同時(shí)刻微小圓管中軸線上的壁面溫度分布Fig.7 Distribution maps of the wall temperature in the central axis of microtubes at different time

圖7給出了不同時(shí)刻，微小圓管中軸線上的壁面溫度分布。根據(jù)壁溫的分布規(guī)律，微小圓管內(nèi)的混合物燃料從右到左可劃分為4個(gè)區(qū)域:入口高溫區(qū)，擴(kuò)散火焰區(qū)，預(yù)混火焰區(qū)和未反應(yīng)區(qū)［14］。其中預(yù)混火焰區(qū)是AP分解產(chǎn)物與B之間發(fā)生燃燒反應(yīng)的區(qū)域;擴(kuò)散火焰區(qū)在AP晶粒表面較遠(yuǎn)處，AP分解產(chǎn)物中過剩的氧氣使B不斷氧化。另外，因入口處的燃料暴露在外界空氣中，有足夠的氧化劑，使樣品中的B持續(xù)燃燒，保持較高的溫度。圖中溫度小于300℃的區(qū)域?yàn)槲捶磻?yīng)區(qū)。對(duì)比6條曲線可知，隨著時(shí)間的推移，擴(kuò)散火焰區(qū)的溫度不斷升高。因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，熱量傳遞到未反應(yīng)區(qū)，其中的AP先被加熱分解，產(chǎn)生的氧氣往上游傳遞，不斷為擴(kuò)散火焰區(qū)提供氧化劑，使燃燒更劇烈，溫度升高。可見，混合物中AP的分解反應(yīng)控制著整個(gè)燃燒過程。

3 結(jié)論

(1)微小圓管內(nèi)B/AP混合物燃料的燃燒穩(wěn)定性由壁面熱損失和微管道效應(yīng)共同耦合作用。對(duì)反應(yīng)熱大的燃料，管徑變化引起的微管道效應(yīng)變化是引起微燃燒不穩(wěn)定的主要因素，例如B/AP配比1∶1樣品的燃速隨管徑減小而增大，因?yàn)楣軓皆叫?，微管道效?yīng)越明顯，滯留在管內(nèi)的產(chǎn)物越多，預(yù)熱溫度越高;對(duì)反應(yīng)熱小的燃料，管徑變化導(dǎo)致的壁面熱損失變化占主導(dǎo)因素，例如B/AP配比1∶3樣品的燃速隨管徑減小而減小，因?yàn)楣軓皆叫?，比表面積越大，壁面損失越大。

(2)管徑越小，B/AP配比變化對(duì)燃速的影響越大。因?yàn)殡S管徑減小，熱損失增大，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效應(yīng)越顯著，對(duì)燃燒的穩(wěn)定性不利。通過選取填充反應(yīng)熱較大的燃料可防止因散熱過大引起的熱熄火，但也不能過高，以防止擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)微小圓管內(nèi)的燃料在軸線方向存在熱傳導(dǎo)，在燃燃料釋放的熱量傳遞給相鄰未燃的燃料，隨熱量累加，到達(dá)著火點(diǎn)后被點(diǎn)燃，其燃燒釋放的熱量繼續(xù)傳遞給下游的未燃樣品，依次進(jìn)行。同時(shí)樣品中的AP先分解產(chǎn)生的O2擴(kuò)散到上游，為未燃盡的B提供氧化劑，促進(jìn)其進(jìn)一步氧化。

(4)微小圓管的壁面溫度圖可劃分為4個(gè)區(qū)域:入口高溫區(qū)、擴(kuò)散火焰區(qū)、預(yù)混火焰區(qū)和未反應(yīng)區(qū)，且混合物中AP的分解反應(yīng)控制著整個(gè)燃燒過程。

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