不同氣氛對鋁粉點火燃燒特性的影響分析

楊建剛，胡春波，鄧 哲，朱小飛

(西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，陜西 西安 710072)

不同氣氛對鋁粉點火燃燒特性的影響分析

楊建剛，胡春波，鄧 哲，朱小飛

(西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，陜西 西安 710072)

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

粉末火箭發動機；流化氣；點火延遲；點火溫度；鋁粉

引 言

Al粉作為一種金屬材料，能量密度高，是固體推進劑常用的高能添加劑[1]，也是粉末火箭發動機及粉末沖壓發動機的理想燃料[2-4]。粉末發動機實際工作過程中，采用流化氣體將Al粉輸送到燃燒室中進行燃燒，所以Al粉在進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火燃燒性能，對于粉末發動機流化氣體的選取及發動機整體燃燒效率的提高具有重要意義。

目前，國內外已有不少關于氣氛條件對Al粉點火燃燒性能影響的研究[5]。鄧哲等[6]研究了氧氣濃度對Al粉點火延遲的影響，發現氧含量越高，Al粉的點火延遲越短。Prentice[7]研究了氧化性氣體濃度的影響，發現氣氛中氧氣含量越高，Al粉的燃燒時間越短。Dreizin[8]在文獻[7]的基礎上，改變原氣氛中的惰性氣體成分，將N2或Ar替換成He，發現Al粉的燃燒時間明顯變短，他認為這是由于He的分子質量較小，擴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，發現Al粉在100%CO2氣氛中的燃燒時間與O2體積分數為20%的氣氛相當，而在100%H2O(g)氛圍下的燃燒時間與O2體積分數為50%～60%的氣氛相當，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粉在粉末發動機流化氣體氛圍下的點火燃燒性能研究報道較少。

Al粉末發動機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粉點火燃燒性能的影響規律，本研究采用密閉燃燒器結合激光點火、光譜儀診斷的實驗方法，對Al粉在N2、空氣和N2O中的點火燃燒特性進行對比研究，以期為粉末發動機流化氣體的選擇提供參考。

1 實 驗

1.1 激光點火實驗

激光點火實驗裝置示意圖如圖1所示，分別由燃燒器、點火模塊、采集模塊、觸發模塊、氣壓控制模塊等部分組成。燃燒器開設兩扇石英玻璃窗，同時進行光譜和圖像采集。點火模塊采用功率為150W的CO2激光點火器對顆粒樣品進行加熱，采集模塊使用光譜儀(Avaspec-2048)對Al粉燃燒過程中的發射光譜進行采集，光譜儀最小采集時間間隔為1.05ms，用攝像機對火焰形狀進行拍攝。觸發模塊通過使用NI6008板卡和Labview軟件編程，實現激光點火器和光譜儀的同時觸發，從而測量點火延遲。氣體控制模塊使用氣瓶提供燃燒器內氣體組分，通過壓力傳感器測量燃燒器內的壓強。

燃燒發出的不同波段光信號強度在光路傳輸過程中效率并不一致，因此在進行實驗之前需要對光路在各波段的效率進行標定。本研究使用鎢鹵素燈作為標準光源，通過比較光譜儀采集到的各波長的光譜輻射強度和同溫度下的黑體輻射強度，可以獲得光路在各波段的總效率。實驗標定結果如圖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波段的光譜進行分析。

1.2 實驗工況

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氣氛下的激光點火實驗，用攝像機和光譜儀采集火焰和光譜信息，最后通過對采集數據進行分析，比較Al粉在不同氣氛下的點火燃燒特性。其SEM照片如圖3所示。

由圖3可知，Al粉的球形度較好。實驗統一稱取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置為480～510W/cm2。

2 結果與分析

2.1 不同氣氛條件對Al粉擴散燃燒的影響

Al粉點火成功后進入液滴蒸發燃燒模式，蒸發擴散的強度越大，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，但沒有出現明顯的火焰，說明Al粉在該實驗條件下很難成功點火。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中燃燒時發光強度太高，特意在攝像機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波長的發射強度，有利于拍攝出清晰的火焰[10]。當Al粉在空氣中燃燒時，如圖4(b)所示，樣品表面局部區域出現金黃色的火焰亮斑，說明Al粉在空氣中發生了氣相的擴散燃燒反應，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中燃燒時出現了明顯的氣相錐形火焰，說明Al粉在N2O中燃燒時，蒸發擴散強度更大。這是由于N2O在850℃時發生熱分解反應：N2O→O2+N2，并釋放出1864kJ/kg熱量，且N2O氧含量遠大于空氣，這些原因使Al粉在N2O環境中的燃燒更加劇烈。綜上可知，不同的氣氛對Al粉的蒸發擴散燃燒有影響，且N2O的影響大于空氣。

2.2 不同氣氛條件對Al粉點火延遲的影響

Al粉在加熱情況下先后進入點火和燃燒兩個階段。研究表明[11-13]，Al粉在點火過程中的放熱與進入液滴蒸發燃燒模式后的反應放熱相比十分微小，故以Al粉進入液滴蒸發模式的時刻作為點火成功時刻。AlO作為Al蒸氣均相反應的必然產物，在486nm波長時響應顯著[6]，以486nm波長光譜信號剛開始出現明顯增長的時刻作為點火成功的標志，點火延遲即開始加熱時刻起至486nm波長光信號出現的時間。

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

由圖5可知，當粒徑為1μm的Al粉在N2中點火時，486nm特征光譜曲線并沒有出現明顯的增長，說明在激光器加熱條件下Al粉與N2很難進入液滴蒸發燃燒模式。在空氣和N2O氛圍下，486nm波長信號都出現了明顯的增長，說明Al粉在N2O和空氣中均能成功點火，并且其點火延遲時間分別為10ms和359ms，說明N2O環境中Al粉點火階段的表面異相反應速率快于空氣。從圖5中可以看出，Al粉在N2O和空氣中的點火燃燒過程可以劃分為3個時期，分別為點火延遲期(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時間分別為829ms和1579ms，說明N2O環境中1μm的Al粉在燃燒階段的反應速率快于空氣。

綜上所述，常壓環境下，不同的氣氛對Al粉點火燃燒性能有很大的影響，N2O對Al粉點火燃燒的促進作用優于空氣，而N2會降低Al粉的點火燃燒性能。

2.3 不同氣氛條件對Al粉點火溫度的影響

根據普朗克定律，當溫度不同時，黑體發出的連續光譜的形狀也不同，并且光強最大的波長隨黑體溫度的上升會逐漸向短波長移動，根據這一特性發展了基于光譜信號的測溫方法[15-16]。Al粉在成功點火前一直被Al2O3覆蓋，且Al2O3外殼為固體狀態，其發光信號在整個可見光波段是連續的，因此，在Al粉點火成功時刻(即486nm特征光譜出現明顯增長的初始時刻)，可以通過測量Al2O3外殼的溫度來確定點火溫度。

光譜信號擬合測溫法[17]的基本原理是，在考慮實驗裝置光路效率的情況下，根據普朗克定律，計算擬合出一系列溫度下光譜輻射強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際光譜輻射強度曲線進行形狀對比，當兩條曲線形狀相似時，擬合曲線對應的溫度即為被測物體的溫度，而當實際光譜曲線與兩條擬合曲線都類似時，兩條擬合曲線對應的溫度區間即為被測物體溫度所在區間。光譜信號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，故其計算穩定性及精度更高。

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

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

由普朗克定律可知，當溫度小于2000K時，黑體發射的486nm特征光譜信號很弱，而且在點火成功時刻，AlO含量很低，所以在圖6(a)中看不到486nm波長信號的尖峰；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環境下，1μm的Al粉在點火成功時刻的反應更加強烈，生成AlO的量比空氣環境下多，并且使光譜曲線產生峰值，也反映了N2O對Al粉具有更強的助燃作用。

3 結 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生成焓為正，對1μmAl粉的燃燒有促進作用，所以Al液滴在N2O中的蒸發擴散強度更大。

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

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

[1] 于永志, 相升海, 李世鵬,等. 鋁粉含量對火箭發動機推力影響研究[J]. 四川兵工學報, 2016, 37(3):35-38. YU Yong-zhi, XIANG Sheng-hai, LI Shi-peng, et al. Study on influence of aluminum powder content on rocket motor thrust [J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2016,37(3): 35-38.

[2] Loftus H, Montanino L, Bryndle R. Powder rocket feasibility evaluation[C]∥ 8th AIAA/SAE Joint Propulsion Specialist Conference. New Orleans,Louisiana: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1972, 1162: 1-7.

[3] 鄧哲, 胡春波, 盧子元,等. Metal/N2O粉末火箭發動機實驗研究[J]. 固體火箭技術, 2015(2):220-224. DENG Zhe, HU Chun-bo, LU Zi-yuan, et al. Experimental research on metal/N2O powder rocket engine[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2015(2):220-224.

[4] Li C, Hu C, Xin X, et al. Experimental study on the operation characteristics of aluminum powder fueled ramjet[J]. Acta Astronautica, 2016, 129:74-81.

[5] Beckstead M, Davidson J, Jing Q, et al. A comparison of solid monopropellant combustion and modeling[J]. International Journal of Energetic Materials & Chemical Propulsion, 1997, 4:1116-1132.

[6] 鄧哲, 胡春波, 劉林林,等. Al基粉末燃料改性方法及點火燃燒特性[J]. 固體火箭技術, 2016, 39(1):17-22. DENG Zhe, HU Chun-bo, LIU Lin-lin, et al. Modification methods and ignition combustion characteristics of aluminum-based powder fuel[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2016, 39(1):17-22.

[7] Prentice J. Combustion of laser-ignited aluminum droplets in wet and dry oxidizers[C]∥12th AIAA Aerospace Sciences Meeting. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1974, 146: 1-9.

[8] Dreizin E L. On the mechanism of asymmetric aluminum particle combustion[J]. Combustion & Flame, 1999, 117(4):841-850.

[9] Zenin A, Kusnezov G, Kolesnikov V. Physics of aluminum particle combustion at convection[C]∥38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000:1-12.

[10] 沈遠香, 黃曉霞, 王永惠. 光學薄膜的研究新進展及應用[J]. 四川兵工學報, 2012, 33(8):105-107. SHEN Yuan-xiang, HUANG Xiao-xia, WANG Yong-hui. The new research development and application of optical thin film[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2012, 33(8):105-107.

[11] Kalman J, Glumac N, Krier H. High-temperature metal oxide spectral emissivities for pyrometry applications[J]. Journal of Thermophysics & Heat Transfer, 2015, 29(4):1-6.

[12] Williams R A, Patel J V, Dreizin E L. Ignition of fully dense nanocomposite thermite powders by an electric spark[J]. Journal of Propulsion and Power, 2014, 30(3):765-774.

[13] 成紅剛, 陳雄, 周長省,等. 鋁顆粒燃燒特性研究進展[J]. 四川兵工學報, 2010, 31(3):84-88. CHENG Hong-gang, CHEN Xiong, ZHOU Chang-sheng, et al. Research development of aluminum combustion characteristic[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering,2010, 31(3):84-88.

[14] 鄧哲, 胡春波, 楊建剛,等. 金屬/AP顆粒混合物燃燒特性的光譜分析[J]. 火炸藥學報, 2016, 39(1):43-47. DENG Zhe, HU Chun-bo, YANG Jian-gang, et al. Analysis on the combustion characteristics of metal/AP mixtures by using emission spectroscopy[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2016, 39(1):43-47.

[15] 劉萬波, 曹海慶, 胡大治. 紅外測溫技術在底排裝置測試系統中的應用[J]. 四川兵工學報, 2011, 32(5):111-112. LIU Wan-bo, CAO Hai-qing. Application of the infrared temperature-measuring technology in test system of the base bleed device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2011, 32(5):111-112.

[16] 閆軍, 徐更光. CARS光譜技術在炸藥測溫領域中的應用[J]. 火炸藥學報, 2000, 23(3):60-62. YAN Jun, XU Geng-guang. Application of CARS technology on detonation temperature measurement[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2000, 23(3):60-62.

[17] Arvanetes J, Powell A, Petersen E. Monitoring strand burner combustion products using emission spectroscopy[C]∥43th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibition. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007, 5767:1-11.

[18] Marion M, Chauveau, G?Kalp I. Studies on the ignition and burning of levitated aluminum particles[J]. Combustion Science and Technology, 1996, 115(4/6):369-390.

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

國家自然科學基金(No.51576166)

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

TJ55;O643.2+1

A

1007-7812(2017)03-0036-05