含納米鋁液體燃料的單液滴燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究①

周 帥，敖 文，高 毅，劉佩進(jìn)，呂 翔

(西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引言

碳?xì)淙剂献鳛樽畛Ｒ姷暮娇蘸教彀l(fā)動(dòng)機(jī)燃料被廣泛使用。碳?xì)淙剂暇哂心芰棵芏雀?、安全性好、使用方便、成本低等?yōu)勢(shì)。為了提高飛行器性能，需要密度和體積燃燒熱值更高的液體燃料。傳統(tǒng)的人工合成方式已無法滿足要求[1]。作為常用的高能燃料，納米鋁粉具有體積熱值高、耗氧量低、反應(yīng)活性強(qiáng)[2]、提高推進(jìn)劑燃速[3]等優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的碳?xì)淙剂现刑砑痈吣芙饘兕w粒，使之形成穩(wěn)定懸浮液，是液體燃料高能化的重要手段[4-5]。雖然添加金屬顆粒后燃料流動(dòng)性和分散穩(wěn)定性變差，容易導(dǎo)致供給管路和噴嘴內(nèi)沉積、堵塞和腐蝕等問題[6]，但其具有能量密度高、點(diǎn)火延遲短、傳熱傳質(zhì)快等特點(diǎn)，可顯著提升燃料的點(diǎn)火燃燒性能和能量特性。通過進(jìn)行含納米鋁液體燃料的單液滴點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)，可以得到含納米鋁液體燃料的燃燒規(guī)律，為其應(yīng)用提供理論依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含金屬液體燃料的燃燒試驗(yàn)進(jìn)行了較為廣泛的研究。在液體燃料中添加納米顆粒，可提高燃料液滴對(duì)周圍輻射的吸收率，從而增強(qiáng)液滴蒸發(fā)燃燒速率。GAN等[7]通過不同功率的汞燈對(duì)鋁含量0.1%、0.5%、5%的納米流體燃料液滴進(jìn)行輻射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在所有輻射水平下，納米流體燃料都能顯著提高液滴蒸發(fā)速率；但含有高濃度納米鋁時(shí)，納米鋁的聚集增加會(huì)抑制燃料擴(kuò)散并抑制蒸發(fā)，使得增強(qiáng)效果減弱。TANVIR等[8-9]通過液滴發(fā)生器生成液滴流，研究了鋁和石墨納米顆粒對(duì)乙醇液滴燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒確實(shí)增強(qiáng)了液滴輻射吸收能力，對(duì)提高液滴燃燒有一定作用，同時(shí)顆粒濃度越高，燃燒速率越高；納米顆粒在液體燃料中容易發(fā)生碰撞與團(tuán)聚，為了提高顆粒的分散穩(wěn)定性，減少顆粒沉降，需要在燃料中添加表面活性劑。OLSON等[10]在JP-10煤油中添加非離子表面活性劑，獲得了固含量50%以上的具有較好顆粒懸浮穩(wěn)定性的含鋁液體燃料。陳冰虹[11]在含顆粒的JP-10煤油中加入油酸和吐溫-85，發(fā)現(xiàn)一周后燃料無分層現(xiàn)象，析油率為0%；添加油酸后燃料變?yōu)槎w系，其在燃燒過程中會(huì)出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。LAW[12]解釋了多組分燃料中微爆產(chǎn)生的原因，這是由組分揮發(fā)性與沸點(diǎn)不同導(dǎo)致的。楊大力等[13]在無水乙醇中加入2% 、5% 、10% 80～100 nm硼顆粒及膠凝劑，發(fā)現(xiàn)膠凝劑是導(dǎo)致凝膠推進(jìn)劑燃燒出現(xiàn)微爆現(xiàn)象的原因，硼顆粒本身的不穩(wěn)定燃燒也會(huì)增大液滴微爆劇烈程度。HAN等[14]向庚烷中添加油酸后，燃料點(diǎn)火延遲時(shí)間和點(diǎn)火溫度隨油酸濃度增加而顯著提高；與純庚烷液滴相比，含2%油酸庚烷液滴的點(diǎn)火延遲時(shí)間和點(diǎn)火溫度其分別增加了60%和40%，且溫度和油酸濃度增加導(dǎo)致液滴微爆更劇烈、產(chǎn)生氣泡數(shù)量更多。GAN等[15-16]利用掛滴法對(duì)含10% 80 nm、5 μm與25 μm鋁顆粒的正癸烷和乙醇液滴進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，提出含納米鋁液滴燃燒的五個(gè)階段，即預(yù)點(diǎn)火加熱階段、液滴穩(wěn)定燃燒階段、液滴破碎階段、表面活性劑燃燒階段和鋁液滴燃燒階段；通過對(duì)比含微米尺度和納米尺度顆粒液滴燃燒現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)具有微米尺度顆粒的液滴發(fā)生更強(qiáng)微爆行為。SUB等[17]對(duì)含1% 、3% 、5%鋁顆粒乙醇溶液進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，納米鋁使液滴燃燒速率常數(shù)最多增加13%，且顆粒濃度增加會(huì)使液滴燃燒動(dòng)力學(xué)改變。LIU等[18-19]發(fā)現(xiàn)環(huán)境氧含量會(huì)影響含鋁顆粒的JP-10液滴燃燒特性及鋁團(tuán)聚體形成過程，當(dāng)氧含量大于10%時(shí)，鋁團(tuán)聚體被成功點(diǎn)燃；當(dāng)氧含量達(dá)到50%時(shí)，鋁團(tuán)聚體發(fā)生爆燃，鋁顆粒迅速氧化，完全釋放熱量，形成致密的氧化鋁球。顆粒含量增加，液滴著火時(shí)間縮短，燃燒強(qiáng)度增加，但顆粒含量增加會(huì)引入顆粒團(tuán)聚問題，降低了鋁顆粒氧化度。

含納米顆粒液體燃料燃燒的宏觀現(xiàn)象及納米顆粒和表面活性劑單獨(dú)對(duì)燃料特性的影響已有一定的認(rèn)識(shí)。但現(xiàn)有研究對(duì)于含納米鋁液體燃料中各組分之間的相互作用機(jī)制及影響規(guī)律不夠明確，對(duì)含納米鋁液體燃料各組分相互作用進(jìn)行探究有助于深入理解其燃燒特性。在大氣環(huán)境下，開展液滴燃燒實(shí)驗(yàn)雖與燃料實(shí)際工作環(huán)境有所差異，但兩種環(huán)境下均為燃料與氧發(fā)生反應(yīng)，且液滴燃燒機(jī)制與各組分影響規(guī)律同樣對(duì)實(shí)際環(huán)境具有參考價(jià)值。

本文使用JP-10煤油作為基礎(chǔ)液體燃料，在此基礎(chǔ)上添加油酸和納米鋁粉，制成含納米顆粒液體燃料。通過高速攝影系統(tǒng)拍攝含納米鋁液體燃料單液滴燃燒過程。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到四種單液滴燃燒的一般規(guī)律，以及油酸和納米鋁粉對(duì)含納米鋁液體燃料液滴燃燒的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

使用JP-10航空煤油作為基液，購(gòu)于湖北遠(yuǎn)成集團(tuán)遠(yuǎn)成藥業(yè)有限公司，純度99%。JP-10煤油具有能量高、密度大、粘度小、冰點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的高密度碳?xì)淙剂稀＜{米鋁粉由廣州宏武材料科技有限公司提供，純度99%，顆粒標(biāo)稱粒徑為70 nm，密封保存于干燥箱內(nèi)。使用鋁粉時(shí)通過超聲分散方法破壞納米鋁粉分子間作用力，減少納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象。油酸由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，純度為97%。制作燃料時(shí)，稱量好各組分質(zhì)量，全部混合后攪拌10 min。對(duì)于添加納米鋁粉的燃料，攪拌后放入超聲振蕩器中，振蕩0.5 h后，制得實(shí)驗(yàn)用燃料。表1為四種燃料的物質(zhì)組成。

表1 四種燃料的物質(zhì)組成

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

單液滴點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括液滴固定與點(diǎn)火裝置和高速攝像系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

通過微量移液器生成粒徑(1±0.1) mm液滴，懸掛于夾角60°的兩束相互交叉的碳化硅細(xì)絲上，細(xì)絲束直徑小于100 μm。兩束細(xì)絲更有利于固定液滴位置。碳化硅熱導(dǎo)率低，液滴燃燒過程中熱損失可忽略。使用鎳鉻發(fā)熱絲對(duì)液滴進(jìn)行加熱點(diǎn)火，利用電磁伸縮桿控制發(fā)熱絲靠近和遠(yuǎn)離液滴。試驗(yàn)時(shí)發(fā)熱絲靠近液滴，直至液滴正下方約2 mm位置，為液滴提供一個(gè)約500 ℃高溫環(huán)境，發(fā)熱絲不與液滴接觸。整個(gè)液滴燃燒期間發(fā)熱絲都處于液滴正下方位置，液滴燃盡后，再將發(fā)熱絲撤回到初始位置。高速攝影系統(tǒng)包括phantom M340高速相機(jī)、0.5倍遠(yuǎn)心鏡頭、單頻強(qiáng)光燈和控制電腦各1個(gè)。高速相機(jī)采樣率設(shè)定為1400 fps，曝光時(shí)間200 μs。

試驗(yàn)在開放環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)先使用微量移液器生成微液滴懸于碳化硅細(xì)絲上。將發(fā)熱絲預(yù)先加熱1 min，待其溫度穩(wěn)定后，開啟電磁伸縮桿將發(fā)熱絲送至液滴正下方，點(diǎn)燃液滴。與此同時(shí)，高速相機(jī)開始拍攝液滴燃燒圖像，液滴燃燒完全后關(guān)閉各系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

通過高速相機(jī)拍攝液滴燃燒全過程，可對(duì)其燃燒特性有更加直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可獲得其燃燒過程中液滴形態(tài)與火焰形貌變化、液滴粒徑變化以及液滴微爆現(xiàn)象等信息。對(duì)各時(shí)刻液滴圖像進(jìn)行處理，獲得液滴縱向長(zhǎng)度，近似作為液滴粒徑。圖2為純煤油、煤油/油酸、煤油/納米鋁粉及煤油/油酸/納米鋁粉四種燃料液滴燃燒過程中粒徑平方隨時(shí)間變化圖。

燃燒速率是表征液滴燃燒快慢的參數(shù)。燃料液滴燃燒速率越快，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃料越多，放熱越多?？赏ㄟ^提高燃料液滴的燃燒速率，來提升其燃燒性能。根據(jù)理論推導(dǎo)，液滴粒徑平方隨時(shí)間變化率的絕對(duì)值即為液滴燃燒速率。通過對(duì)圖2中穩(wěn)定燃燒階段區(qū)域c內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，獲得4組數(shù)據(jù)在此區(qū)域內(nèi)擬合曲線的斜率，即可求得液滴在該時(shí)間段內(nèi)燃燒速率KC。圖3為四種燃料穩(wěn)定燃燒階段的燃燒速率。

圖2 四種液滴燃燒過程的粒徑平方變化

圖3 四種液滴穩(wěn)定燃燒階段的燃燒速率

2.1 純煤油單液滴燃燒試驗(yàn)

純JP-10煤油單液滴的燃燒過程如圖4所示。在發(fā)熱絲產(chǎn)生的高溫環(huán)境中，煤油液滴吸熱蒸發(fā)，形成圍繞液滴的蒸汽云。當(dāng)蒸汽濃度達(dá)到著火條件后，液滴被點(diǎn)燃，此時(shí)液滴周圍出現(xiàn)明顯火焰。液滴開始加熱至液滴被點(diǎn)燃的過程稱為預(yù)熱點(diǎn)火階段，對(duì)應(yīng)圖中藍(lán)色實(shí)線部分，此過程時(shí)間較短，液滴粒徑只是略有減小。由圖2可知，煤油不斷蒸發(fā)燃燒，液滴粒徑平方隨時(shí)間線性變小，直至液滴消耗殆盡，粒徑變化基本滿足d2定律，該過程稱為穩(wěn)定燃燒階段，對(duì)應(yīng)圖中紅色圓點(diǎn)線部分。由圖3可知，純煤油液滴燃燒速率為0.676 mm2/s。通過火焰圖片亮度判斷火焰強(qiáng)度[20-21]，將火焰圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖后，灰度值越高，火焰亮度越高，則說明火焰強(qiáng)度越高。由圖5可知，液滴火焰強(qiáng)度分布為火焰內(nèi)部強(qiáng)度較低，而火焰外圍強(qiáng)度較高，同時(shí)在液滴整個(gè)燃燒過程中火焰變化平穩(wěn)，火焰強(qiáng)度分布基本不變。

圖4 純煤油單液滴燃燒過程

(a) Flame intensity picture (b) Gray scale value of picture

2.2 添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒試驗(yàn)

圖6展示了只添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒過程。液滴先是從環(huán)境吸熱蒸發(fā)，預(yù)熱一段時(shí)間后液滴被點(diǎn)燃，此后被點(diǎn)燃的液滴穩(wěn)定蒸發(fā)燃燒，此過程燃燒特性與純煤油的預(yù)熱點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒階段相同。由于燃料中添加了鋁顆粒，在煤油燃燒過程中會(huì)有少量的納米鋁顆粒從液滴中噴出后被點(diǎn)燃，同時(shí)液滴燃燒過程后期存在特殊的團(tuán)聚體反應(yīng)階段。當(dāng)液滴中液相成分燃燒殆盡后，液滴中納米鋁粉會(huì)在碳化硅細(xì)絲上聚集形成鋁團(tuán)聚體。煤油燃燒產(chǎn)生的熱量使團(tuán)聚體溫度較高，氧氣擴(kuò)散到團(tuán)聚體表面后發(fā)生反應(yīng)，鋁團(tuán)聚體點(diǎn)燃并發(fā)出強(qiáng)烈的白光，燃燒產(chǎn)物殘留在細(xì)絲上，對(duì)應(yīng)圖中綠色長(zhǎng)虛線部分。由圖2可知，該液滴粒徑平方隨時(shí)間線性變小，滿足d2定律。其粒徑變化速度明顯快于純煤油液滴，這與圖3中此燃料液滴燃燒速率高于純煤油液滴相對(duì)應(yīng)。添加5%納米鋁粉后，煤油/納米鋁粉液滴燃燒速率較純煤油提高20%。同時(shí)，液滴總?cè)紵龝r(shí)間縮短。說明添加鋁顆?？商岣咭旱稳紵俾?，這是由于納米鋁顆粒可提高液滴吸收輻射熱的能力，使液滴單位時(shí)間內(nèi)吸收更多的熱量，蒸發(fā)燃燒速率變大。通過對(duì)比圖7中煤油燃燒時(shí)火焰強(qiáng)度與鋁團(tuán)聚體反應(yīng)時(shí)火焰強(qiáng)度，可發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體反應(yīng)階段火焰圖灰度值接近最高值255，明顯大于煤油燃燒火焰圖灰度值80，說明鋁團(tuán)聚體反應(yīng)更加劇烈。同時(shí)，煤油燃燒過程中火焰強(qiáng)度分布基本穩(wěn)定，火焰外圍強(qiáng)度略強(qiáng)于火焰內(nèi)部強(qiáng)度。

圖6 添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒過程

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

2.3 添加油酸的煤油單液滴燃燒試驗(yàn)

只添加油酸的煤油單液滴燃燒過程如圖8所示。此液滴燃燒過程同樣包括液滴預(yù)熱點(diǎn)火階段和穩(wěn)定燃燒階段，階段特性與前述相同。但液滴穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間后出現(xiàn)一個(gè)獨(dú)特的燃燒階段，以液滴內(nèi)部開始產(chǎn)生小氣泡作為此階段開始的標(biāo)志。煤油不斷蒸發(fā)，小氣泡不斷膨脹并聚集，當(dāng)氣泡達(dá)到一定體積時(shí)，氣泡破裂，液滴體積急劇變小，液滴中氣泡演化過程如圖9所示。液滴內(nèi)多次重復(fù)氣泡生成、膨脹、破碎過程，直至液滴燃燒殆盡。該階段稱為液滴的微爆，對(duì)應(yīng)圖中橙色短虛線部分。微爆的產(chǎn)生主要是由油酸與煤油的沸點(diǎn)不同造成的。液滴燃燒時(shí)，煤油作為揮發(fā)性較高的組分首先汽化，使油酸在液滴表面的濃度變高，逐漸在液滴表面形成油酸薄層。當(dāng)液滴內(nèi)部煤油繼續(xù)受熱蒸發(fā)，被表面油酸薄層阻擋，無法擴(kuò)散出去，從而在液滴內(nèi)生成氣泡。當(dāng)氣泡內(nèi)蒸汽變多，壓力變大，直至超過油酸薄層表面張力后，氣泡破碎，液滴縮小，一次微爆過程結(jié)束。圖2中，b時(shí)刻前，液滴粒徑平方基本隨時(shí)間線性變小，基本滿足d2定律，但在b時(shí)刻后，液滴粒徑平方產(chǎn)生劇烈的振蕩，不斷變大縮小，直至液滴燃燒殆盡。圖3中顯示此液滴燃燒速率略低于純煤油液滴，這是由于液滴表面油酸會(huì)抑制煤油的蒸發(fā)，使其穩(wěn)定燃燒階段燃燒速率降低。但與此同時(shí)，微爆階段液滴消耗反而變快，與純煤油相比，添加5%油酸的煤油/油酸液滴總?cè)紵龝r(shí)間縮短18%。圖10展示了液滴穩(wěn)定燃燒階段與產(chǎn)生微爆時(shí)液滴火焰強(qiáng)度分布，可看出微爆使液滴燃燒火焰強(qiáng)度分布不再穩(wěn)定，與穩(wěn)定燃燒階段不同，火焰形貌也受到了一定影響，火焰形狀局部或整體變的不再規(guī)則。

圖8 添加油酸的煤油單液滴燃燒過程

圖9 微爆階段氣泡演化過程

(a) Stable combustion stage (b) Micro explosion stage

2.4 添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒試驗(yàn)

圖11為添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒過程。該液滴燃燒分為四個(gè)階段：預(yù)熱點(diǎn)火階段、穩(wěn)定

圖11 添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒過程

燃燒階段、微爆階段、團(tuán)聚體反應(yīng)階段。四個(gè)階段燃燒特性與前述基本相同。圖2中，藍(lán)色虛線間距對(duì)應(yīng)只添加油酸的煤油液滴微爆階段粒徑最大落差值，綠色虛線間距對(duì)應(yīng)添加油酸和鋁顆粒的煤油液滴微爆階段粒徑最大落差值。綠色虛線間距大于藍(lán)色虛線間距，說明前者對(duì)應(yīng)液滴微爆時(shí)體積振蕩更加劇烈。這是由于添加鋁顆粒后，油酸與鋁顆粒在液滴表面形成油酸/鋁混合薄層，此薄層強(qiáng)度高于純油酸薄層，氣泡內(nèi)需要積累更高的壓力才能破壞此薄層，因此液滴微爆強(qiáng)度增大。微爆階段液滴變形嚴(yán)重，有較多小液滴飛濺出去。同時(shí)由于液滴微爆更加劇烈，更多鋁顆粒在此過程被帶出并燃燒掉，使得最后殘留在細(xì)絲上的鋁團(tuán)聚物變小，液滴燃燒后期團(tuán)聚體反應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于只添加鋁粉煤油液滴稍弱。圖2中，液滴粒徑平方在a時(shí)刻前線性變小，在a時(shí)刻后液滴粒徑產(chǎn)生劇烈振蕩。a時(shí)刻在b時(shí)刻之前，說明同時(shí)添加油酸和鋁顆粒的液滴產(chǎn)生微爆現(xiàn)象時(shí)間更早。圖3中此液滴燃燒速率略低于只添加鋁顆粒的液滴，但高于純煤油和只添加油酸的煤油液滴。同時(shí)，由于鋁顆粒增強(qiáng)液滴吸收輻射能力和微爆加快煤油消耗兩方面原因，液滴燃燒時(shí)間在四種燃料中最短。含5%納米鋁粉和5%油酸的液滴燃燒時(shí)間較純煤油縮短37%。對(duì)比圖12中各燃燒階段火焰強(qiáng)度，可得前述相似結(jié)論。與只添加油酸的煤油液滴相比，微爆階段液滴火焰形貌變化更加劇烈，火焰強(qiáng)度更高。與只添加鋁顆粒的煤油液滴相比，團(tuán)聚物反應(yīng)階段火焰強(qiáng)度略低。

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

3 結(jié)論

向JP-10煤油中加入納米鋁粉和油酸制成高能液體燃料。通過掛滴法進(jìn)行單液滴點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)，對(duì)比了純煤油、煤油/油酸、煤油/納米鋁粉及煤油/油酸/納米鋁粉四種液體燃料液滴的燃燒過程。

(1)添加鋁顆粒的煤油液滴在燃燒最后階段生成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體反應(yīng)強(qiáng)度高于煤油燃燒強(qiáng)度。添加鋁顆粒后，液滴吸收輻射能力增強(qiáng)，添加5%納米鋁粉的煤油/納米鋁粉液滴燃燒速率相比純煤油提高20%，總?cè)紵龝r(shí)間縮短。

(2)添加油酸的煤油液滴燃燒時(shí)產(chǎn)生微爆現(xiàn)象，這是由液滴燃燒過程中表面逐漸富集并形成油酸薄層導(dǎo)致的。液滴表面油酸抑制煤油蒸發(fā)，使液滴穩(wěn)定燃燒階段燃燒速率變小，但微爆階段煤油被快速消耗，添加5%油酸的煤油/油酸液滴總?cè)紵龝r(shí)間相比純煤油縮短18%。

(3)同時(shí)加入油酸和納米鋁粉的煤油液滴燃燒分四個(gè)階段為預(yù)熱點(diǎn)火階段、穩(wěn)定燃燒階段、微爆階段和團(tuán)聚體反應(yīng)階段，其余三種燃料都包含前兩個(gè)階段，且穩(wěn)定燃燒階段液滴粒徑平方變化規(guī)律均滿足d2定律。油酸與鋁顆粒形成的表面混合層強(qiáng)度高于油酸薄層，使液滴微爆強(qiáng)度更高，油酸與鋁顆粒共同作用使液滴燃燒時(shí)間最短，含5%納米鋁粉和5%油酸的液滴燃燒時(shí)間相比純煤油縮短37%。