【摘要】：金屬顆粒常作為固體推進(jìn)劑的添加劑,其燃燒反應(yīng)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。同時(shí),在武器/核物理設(shè)備的使用過(guò)程中,金屬表面會(huì)因微噴過(guò)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(duì)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(jī)理尚未完全明確。在燃燒過(guò)程中,金屬顆粒有其獨(dú)特的物理特性、產(chǎn)物特性和化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(jìn)行對(duì)比研究,對(duì)顆粒燃燒的基本規(guī)律進(jìn)行探索。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面,首先進(jìn)行單液滴燃燒試驗(yàn),對(duì)顆粒燃燒的不同實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),權(quán)衡不同點(diǎn)火方式對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jī)能量利用效率。在論文第三章,采用掛滴法實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火方式對(duì)液滴燃燒速率、火焰形貌和著火延遲時(shí)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(diǎn)分布連續(xù),其直徑在燃燒過(guò)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(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)槊鼽S色,火焰高度從約2.5D0逐漸增加到20D0。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面:熱絲加熱時(shí)間增加會(huì)增加液滴周圍氣體對(duì)流強(qiáng)度,從而加快燃燒速率;與熱絲點(diǎn)火相比,激光點(diǎn)火響應(yīng)迅速,對(duì)液滴附近氣體干擾小,隨著激光強(qiáng)度的增加,單液滴的著火延遲時(shí)間縮短;對(duì)于Et20單液滴,當(dāng)t/tb0.4時(shí),尚處于熱絲加熱階段的火焰高度比沒(méi)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(cè)試手段,研究了不同升溫速率下微米級(jí)鋁粉的氧化特性。結(jié)果表明,微米級(jí)鋁粉氧化主要由離子擴(kuò)散控制,多晶相變氧化機(jī)理同樣適用于1～2μm鋁粉。其氧化可分為五個(gè)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(duì)于微米級(jí)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(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的選擇對(duì)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究了毫米級(jí)鋁顆粒的著火和燃燒特性,并將其與單液滴燃燒進(jìn)行對(duì)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(kuò)散燃燒。穩(wěn)定燃燒階段,由于鋁核心氣化和氧化同時(shí)進(jìn)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(diǎn)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(guò)程中逐漸增大;其火焰在由穩(wěn)定的氣相反應(yīng)控制時(shí)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(diǎn)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(jí)范圍內(nèi),鋁顆粒的著火延遲比單液滴的大一個(gè)量級(jí)以上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,本文系統(tǒng)地分析了微米級(jí)和毫米級(jí)鋁顆粒的氧化及燃燒特性,充實(shí)了金屬顆粒燃燒的理論基礎(chǔ);對(duì)比了毫米級(jí)鋁顆粒和單液滴在激光點(diǎn)火方式下的燃燒特性,歸納了金屬鋁顆粒的燃燒特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面,通過(guò)開(kāi)展多組分代用燃料液滴的燃燒實(shí)驗(yàn),考察了不同點(diǎn)火方案對(duì)顆粒/液滴燃燒研究的影響,同時(shí)也研究了該代用燃料的燃燒特性,為提高其在內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)相近，在燃燒過(guò)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(shí)間成正比，逡逑見(jiàn)圖１．１。但如果混合物中兩種組分的沸點(diǎn)差異較大，則燃燒過(guò)程中液滴的直徑逡逑變化將會(huì)分為三個(gè)階段，兩段斜線被中間水平線分開(kāi)，見(jiàn)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(guò)渡階段，液滴吸熱，直至液滴溫度逡逑達(dá)到較難揮發(fā)組分的沸點(diǎn)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(guò)程中，微爆是另一個(gè)關(guān)注的現(xiàn)象。Ｌａｗ［４］逡逑在文獻(xiàn)［４］中首次提出假設(shè)，當(dāng)可溶多組分液滴內(nèi)部過(guò)熱時(shí)，液滴會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)。Ｗａｎｇ［５］在文獻(xiàn)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(shuō)，通過(guò)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(guó)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

邐１５００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋°Ｃ逡逑圖１．４微米級(jí)鋁粉在升溫過(guò)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(lái)測(cè)量固、液燃料燃燒時(shí)間的實(shí)驗(yàn)裝置，逡逑根據(jù)燃燒方式不同可分為擴(kuò)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(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖１．５，測(cè)量了較大微米級(jí)鋁粉逡逑的燃燒時(shí)間，結(jié)果表明鋁顆粒燃燒時(shí)間與粒徑呈指數(shù)關(guān)系即／？美國(guó)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(qiáng)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(jiǎn)圖見(jiàn)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(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK16

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2594637