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不同氣氛對鋁粉點(diǎn)火燃燒特性的影響分析

2017-06-28 14:20楊建剛胡春波朱小飛
火炸藥學(xué)報(bào) 2017年3期
關(guān)鍵詞:流化測溫粉末

楊建剛,胡春波,鄧 哲,朱小飛

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

不同氣氛對鋁粉點(diǎn)火燃燒特性的影響分析

楊建剛,胡春波,鄧 哲,朱小飛

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

為了研究流化氣體對粉末推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒性能的提高作用,采用CO2激光點(diǎn)火器和光纖光譜儀相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法,研究了不同氣氛條件下Al粉的點(diǎn)火燃燒特性。采用光譜信號(hào)擬合測溫法計(jì)算了Al粉在不同氣氛環(huán)境中的點(diǎn)火溫度。結(jié)果表明,常壓環(huán)境下,粒徑1μm的Al粉在N2O和空氣氛圍下的點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為10ms和359ms,從點(diǎn)火成功過渡到全面燃燒的時(shí)間分別為829ms和1579ms,說明Al粉在N2O環(huán)境中點(diǎn)火階段的表面異相反應(yīng)速率與燃燒階段的反應(yīng)速率均快于在空氣中;粉徑1μm的Al粉在N2O和空氣環(huán)境下的點(diǎn)火溫度分別為1550~1650K和1450~1500K,兩者相近,但都明顯低于毫米級(jí)Al粉的點(diǎn)火溫度(2300K),說明Al粉的點(diǎn)火溫度受粒徑影響較大。

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī);流化氣;點(diǎn)火延遲;點(diǎn)火溫度;鋁粉

引 言

Al粉作為一種金屬材料,能量密度高,是固體推進(jìn)劑常用的高能添加劑[1],也是粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料[2-4]。粉末發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中,采用流化氣體將Al粉輸送到燃燒室中進(jìn)行燃燒,所以Al粉在進(jìn)入燃燒室的初始階段處于流化氣體氛圍中,不同的流化氣體將對Al粉的點(diǎn)火燃燒性能造成不同的影響。因此,研究Al粉在不同氣氛條件下的點(diǎn)火燃燒性能,對于粉末發(fā)動(dòng)機(jī)流化氣體的選取及發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃燒效率的提高具有重要意義。

目前,國內(nèi)外已有不少關(guān)于氣氛條件對Al粉點(diǎn)火燃燒性能影響的研究[5]。鄧哲等[6]研究了氧氣濃度對Al粉點(diǎn)火延遲的影響,發(fā)現(xiàn)氧含量越高,Al粉的點(diǎn)火延遲越短。Prentice[7]研究了氧化性氣體濃度的影響,發(fā)現(xiàn)氣氛中氧氣含量越高,Al粉的燃燒時(shí)間越短。Dreizin[8]在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上,改變原氣氛中的惰性氣體成分,將N2或Ar替換成He,發(fā)現(xiàn)Al粉的燃燒時(shí)間明顯變短,他認(rèn)為這是由于He的分子質(zhì)量較小,擴(kuò)散速率較快所造成的。Zenin[9]研究Al粉在CO2和H2O中的燃燒特性時(shí),發(fā)現(xiàn)Al粉在100%CO2氣氛中的燃燒時(shí)間與O2體積分?jǐn)?shù)為20%的氣氛相當(dāng),而在100%H2O(g)氛圍下的燃燒時(shí)間與O2體積分?jǐn)?shù)為50%~60%的氣氛相當(dāng),說明氣氛種類對Al粉的燃燒特性有很大的影響。目前,針對Al粉在粉末發(fā)動(dòng)機(jī)流化氣體氛圍下的點(diǎn)火燃燒性能研究報(bào)道較少。

Al粉末發(fā)動(dòng)機(jī)的流化氣體除了常見的N2和空氣外[3-4],還可以選擇N2O作為流化氣體。N2O的能量特性和安全性都較高,且具有自增壓特性[3]。因此,為了揭示不同流化氣體對Al粉點(diǎn)火燃燒性能的影響規(guī)律,本研究采用密閉燃燒器結(jié)合激光點(diǎn)火、光譜儀診斷的實(shí)驗(yàn)方法,對Al粉在N2、空氣和N2O中的點(diǎn)火燃燒特性進(jìn)行對比研究,以期為粉末發(fā)動(dòng)機(jī)流化氣體的選擇提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)

激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,分別由燃燒器、點(diǎn)火模塊、采集模塊、觸發(fā)模塊、氣壓控制模塊等部分組成。燃燒器開設(shè)兩扇石英玻璃窗,同時(shí)進(jìn)行光譜和圖像采集。點(diǎn)火模塊采用功率為150W的CO2激光點(diǎn)火器對顆粒樣品進(jìn)行加熱,采集模塊使用光譜儀(Avaspec-2048)對Al粉燃燒過程中的發(fā)射光譜進(jìn)行采集,光譜儀最小采集時(shí)間間隔為1.05ms,用攝像機(jī)對火焰形狀進(jìn)行拍攝。觸發(fā)模塊通過使用NI6008板卡和Labview軟件編程,實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火器和光譜儀的同時(shí)觸發(fā),從而測量點(diǎn)火延遲。氣體控制模塊使用氣瓶提供燃燒器內(nèi)氣體組分,通過壓力傳感器測量燃燒器內(nèi)的壓強(qiáng)。

燃燒發(fā)出的不同波段光信號(hào)強(qiáng)度在光路傳輸過程中效率并不一致,因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需要對光路在各波段的效率進(jìn)行標(biāo)定。本研究使用鎢鹵素?zé)糇鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源,通過比較光譜儀采集到的各波長的光譜輻射強(qiáng)度和同溫度下的黑體輻射強(qiáng)度,可以獲得光路在各波段的總效率。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,在400nm之前的波段,由于光譜輻射的絕對強(qiáng)度較低,易受噪聲干擾;而波長大于800nm以后,光路效率很低。因此,本研究主要對400~800nm波段的光譜進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

開展粒徑為1μm的Al粉(上海水田材料科技公司,純度為99.9%)在常壓N2、空氣和N2O氣氛下的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),用攝像機(jī)和光譜儀采集火焰和光譜信息,最后通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,比較Al粉在不同氣氛下的點(diǎn)火燃燒特性。其SEM照片如圖3所示。

由圖3可知,Al粉的球形度較好。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一稱取40mg試樣,置于Φ4.8mm×3.4mm的圓柱形氧化鋁坩堝中,激光光斑的能量密度設(shè)置為480~510W/cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣氛條件對Al粉擴(kuò)散燃燒的影響

Al粉點(diǎn)火成功后進(jìn)入液滴蒸發(fā)燃燒模式,蒸發(fā)擴(kuò)散的強(qiáng)度越大,燃燒越劇烈。圖4為常壓(0.1 MPa)下1μm的Al粉在N2、空氣和N2O環(huán)境中的燃燒情況。

由圖4可知,在N2氛圍下,Al粉被激光加熱成炭紅色,但沒有出現(xiàn)明顯的火焰,說明Al粉在該實(shí)驗(yàn)條件下很難成功點(diǎn)火。而Al粉在N2O中燃燒的火焰亮度之所以比空氣中的黯淡,是由于Al在N2O中燃燒時(shí)發(fā)光強(qiáng)度太高,特意在攝像機(jī)前安裝了中性密度濾光片的緣故,它可以等比例地衰減各個(gè)波長的發(fā)射強(qiáng)度,有利于拍攝出清晰的火焰[10]。當(dāng)Al粉在空氣中燃燒時(shí),如圖4(b)所示,樣品表面局部區(qū)域出現(xiàn)金黃色的火焰亮斑,說明Al粉在空氣中發(fā)生了氣相的擴(kuò)散燃燒反應(yīng),并且從火焰顏色可知,Al粉在空氣中燃燒的色溫要高于在N2中的溫度。由圖4(c)可看出,1μm的Al粉在N2O中燃燒時(shí)出現(xiàn)了明顯的氣相錐形火焰,說明Al粉在N2O中燃燒時(shí),蒸發(fā)擴(kuò)散強(qiáng)度更大。這是由于N2O在850℃時(shí)發(fā)生熱分解反應(yīng):N2O→O2+N2,并釋放出1864kJ/kg熱量,且N2O氧含量遠(yuǎn)大于空氣,這些原因使Al粉在N2O環(huán)境中的燃燒更加劇烈。綜上可知,不同的氣氛對Al粉的蒸發(fā)擴(kuò)散燃燒有影響,且N2O的影響大于空氣。

2.2 不同氣氛條件對Al粉點(diǎn)火延遲的影響

Al粉在加熱情況下先后進(jìn)入點(diǎn)火和燃燒兩個(gè)階段。研究表明[11-13],Al粉在點(diǎn)火過程中的放熱與進(jìn)入液滴蒸發(fā)燃燒模式后的反應(yīng)放熱相比十分微小,故以Al粉進(jìn)入液滴蒸發(fā)模式的時(shí)刻作為點(diǎn)火成功時(shí)刻。AlO作為Al蒸氣均相反應(yīng)的必然產(chǎn)物,在486nm波長時(shí)響應(yīng)顯著[6],以486nm波長光譜信號(hào)剛開始出現(xiàn)明顯增長的時(shí)刻作為點(diǎn)火成功的標(biāo)志,點(diǎn)火延遲即開始加熱時(shí)刻起至486nm波長光信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間。

Al粉點(diǎn)火階段的熱量來源于激光器加熱和表面異相反應(yīng)放熱兩方面。表面異相反應(yīng)速率受動(dòng)力學(xué)控制,反應(yīng)速率越快,點(diǎn)火延遲越短[6,14]。圖5為0.1MPa下1μm的Al粉分別在N2、空氣和N2O氣氛中點(diǎn)火燃燒時(shí),486nm特征光譜的變化曲線。

由圖5可知,當(dāng)粒徑為1μm的Al粉在N2中點(diǎn)火時(shí),486nm特征光譜曲線并沒有出現(xiàn)明顯的增長,說明在激光器加熱條件下Al粉與N2很難進(jìn)入液滴蒸發(fā)燃燒模式。在空氣和N2O氛圍下,486nm波長信號(hào)都出現(xiàn)了明顯的增長,說明Al粉在N2O和空氣中均能成功點(diǎn)火,并且其點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為10ms和359ms,說明N2O環(huán)境中Al粉點(diǎn)火階段的表面異相反應(yīng)速率快于空氣。從圖5中可以看出,Al粉在N2O和空氣中的點(diǎn)火燃燒過程可以劃分為3個(gè)時(shí)期,分別為點(diǎn)火延遲期(I)、局部燃燒期(II)和全面燃燒期(III),并且其局部燃燒期的持續(xù)時(shí)間分別為829ms和1579ms,說明N2O環(huán)境中1μm的Al粉在燃燒階段的反應(yīng)速率快于空氣。

綜上所述,常壓環(huán)境下,不同的氣氛對Al粉點(diǎn)火燃燒性能有很大的影響,N2O對Al粉點(diǎn)火燃燒的促進(jìn)作用優(yōu)于空氣,而N2會(huì)降低Al粉的點(diǎn)火燃燒性能。

2.3 不同氣氛條件對Al粉點(diǎn)火溫度的影響

根據(jù)普朗克定律,當(dāng)溫度不同時(shí),黑體發(fā)出的連續(xù)光譜的形狀也不同,并且光強(qiáng)最大的波長隨黑體溫度的上升會(huì)逐漸向短波長移動(dòng),根據(jù)這一特性發(fā)展了基于光譜信號(hào)的測溫方法[15-16]。Al粉在成功點(diǎn)火前一直被Al2O3覆蓋,且Al2O3外殼為固體狀態(tài),其發(fā)光信號(hào)在整個(gè)可見光波段是連續(xù)的,因此,在Al粉點(diǎn)火成功時(shí)刻(即486nm特征光譜出現(xiàn)明顯增長的初始時(shí)刻),可以通過測量Al2O3外殼的溫度來確定點(diǎn)火溫度。

光譜信號(hào)擬合測溫法[17]的基本原理是,在考慮實(shí)驗(yàn)裝置光路效率的情況下,根據(jù)普朗克定律,計(jì)算擬合出一系列溫度下光譜輻射強(qiáng)度隨波長變化的曲線,并作歸一化處理,隨后與同樣歸一化處理的實(shí)際光譜輻射強(qiáng)度曲線進(jìn)行形狀對比,當(dāng)兩條曲線形狀相似時(shí),擬合曲線對應(yīng)的溫度即為被測物體的溫度,而當(dāng)實(shí)際光譜曲線與兩條擬合曲線都類似時(shí),兩條擬合曲線對應(yīng)的溫度區(qū)間即為被測物體溫度所在區(qū)間。光譜信號(hào)擬合測溫法相對于雙波長測溫法對光譜信息的利用率更高,故其計(jì)算穩(wěn)定性及精度更高。

常壓下光譜信號(hào)擬合測溫法的溫度計(jì)算結(jié)果如圖6所示。當(dāng)1μm的Al粉在空氣中點(diǎn)火時(shí),其點(diǎn)火溫度為1450~1500K;在N2O中點(diǎn)火時(shí),Al粉點(diǎn)火溫度為1550~1650K,由此可見光譜信號(hào)擬合法可以將點(diǎn)火溫度測量精確到50~100K,而且不存在接觸式測溫的熱量損失和時(shí)間滯后問題,非常適合于小規(guī)模瞬態(tài)燃燒過程的高溫精確測量。

從圖6可知,在常壓環(huán)境下,1μm的Al粉在空氣、N2O中的點(diǎn)火溫度十分接近且均小于毫米級(jí)Al粉的點(diǎn)火溫度(2300K),說明這兩種氣氛對Al粉點(diǎn)火溫度的影響不大,但是都遠(yuǎn)小于Al2O3的熔點(diǎn),這是由于Al粉粒徑越小,表面能越大[18],致使固態(tài)Al2O3外殼的熔點(diǎn)降低造成的。

由普朗克定律可知,當(dāng)溫度小于2000K時(shí),黑體發(fā)射的486nm特征光譜信號(hào)很弱,而且在點(diǎn)火成功時(shí)刻,AlO含量很低,所以在圖6(a)中看不到486nm波長信號(hào)的尖峰;而圖6(b)中卻可以觀察到486nm處存在較為明顯的能量峰值,這說明在N2O環(huán)境下,1μm的Al粉在點(diǎn)火成功時(shí)刻的反應(yīng)更加強(qiáng)烈,生成AlO的量比空氣環(huán)境下多,并且使光譜曲線產(chǎn)生峰值,也反映了N2O對Al粉具有更強(qiáng)的助燃作用。

3 結(jié) 論

(1)與空氣氛圍相比,由于N2O具有更高的氧含量且分解反應(yīng)生成焓為正,對1μmAl粉的燃燒有促進(jìn)作用,所以Al液滴在N2O中的蒸發(fā)擴(kuò)散強(qiáng)度更大。

(2)常壓環(huán)境下,1μm的Al粉在N2O和空氣氛圍下的點(diǎn)火延遲分別為10ms和359ms,局部燃燒期的持續(xù)時(shí)間分別為829ms和1579ms,說明Al粉在N2O環(huán)境中點(diǎn)火階段的表面異相反應(yīng)速率與燃燒階段的反應(yīng)速率均快于空氣。

(3)常壓環(huán)境下,1μm的Al粉在N2O、空氣中的點(diǎn)火溫度區(qū)間相近且均遠(yuǎn)小于毫米級(jí)Al粉的點(diǎn)火溫度(2300K),說明Al粉的點(diǎn)火溫度受氣氛條件的影響不大,主要是粒徑變小導(dǎo)致。

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Analysis of the Influence of Different Atmospheres on the Characteristics of Ignition and Combustion of Aluminum Powder

YANG Jian-gang, HU Chun-bo, DENG Zhe, ZHU Xiao-fei

(Science and Technology on Combustion, Internal Flow and Thermal-structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To study the improving effect of fluidization gas on the performances of ignition and combustion for powder propellant, the characteristics of ignition and combustion for aluminum powder were investigated under different atmosphere conditions using the experimental method of CO2laser igniter coupled with fiber optic spectrometer. The ignition temperature of aluminum powder under different atmospheres were calculated by measuring temperature method of fitting the spectral signal. The results show that the ignition delay of aluminum powder with the size of 1μm under N2O and air atmosphere is 10 and 359ms, respectively, and the transition time from successful ignition to full combustion is 829 and 1579ms, respectively, indicating that the heterogeneous reaction rate of aluminum surface in ignition stage and combustion stage is faster in N2O than in air. The ignition temperature of aluminum powder with the size of 1μm in N2O and air is 1550-1650 and 1450-1500K, respectively, which are almost the same, but they are obviously lower than the ignition temperature of 2300K of millimeter level aluminum powder, indicating that the particle size has an important effect on the ignition temperature of aluminum powder.

powder rocket motor; fluidization gas; ignition delay; ignition temperature;aluminum powder

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.006

2016-12-02;

2017-03-27

國家自然科學(xué)基金(No.51576166)

楊建剛(1992-),男,碩士研究生,從事航空宇航推進(jìn)研究。E-mail: 952556286@qq.com

TJ55;O643.2+1

A

1007-7812(2017)03-0036-05

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