鋁顆粒群點火與燃燒特性研究

唐 勇，董 維，鄒祥瑞，石保祿，王寧飛

（北京理工大學宇航學院，北京，100081）

0 引 言

固體火箭發動機具有結構簡單、推力密度大、技術成熟度高、便于貯存維護等諸多優點，是目前應用最廣泛的火箭推進系統之一[1,2]。美國、俄羅斯和法國等在役的絕大部分戰略導彈均采用固體主動力，例如民兵Ⅲ、布拉瓦Ⅲ、三叉戟-D5和白楊-M[3]。此外，大量運載火箭助推器或主動力采用大型固體發動機，例如歐洲的阿里安6號和中國的長征十一號運載火箭[4,5]。為了提高固體火箭發動機的比沖，通常在固體推進劑中加入金屬粉末來提高能量水平[6,7]，添加質量分數10～20%的鋁粉可以產生30%以上的熱量，鋁粉燃燒過程及其產物對固體發動機具有較為復雜的影響[8,9]。

另一方面，以金屬鋁粉顆粒直接作為燃料的新型粉末火箭發動機，具有結構相對簡單、推力可調、多次啟動和環境溫度適用性廣等優勢，可用于超聲速導彈、空間推進和水下推進等領域[10,11]。此外，隨著中國“雙碳目標”的提出，鐵、鋁等含能金屬顆粒由于燃燒不產生碳排放，以及便于存儲運輸，在地面燃燒設備中也具有可觀的前景和優勢[12]。

研究鋁顆粒點火燃燒的實驗系統主要包括單顆粒激光點火系統和單分散氣溶膠平焰燃燒系統，[13～16]。鋁顆粒燃燒特性參數包括點火溫度、點火延遲時間、燃燒時間、顆粒表面溫度、氣相火焰與凝相產物的幾何結構等重要信息[17]。在單顆粒研究基礎上，McGill大學團隊圍繞鋁粉顆粒群燃燒開展了大量工作，測量了鋁粉與氧化性氣體混合物的火焰傳播速度[18]。

然而，關于鋁粉顆粒群燃燒及粒子間相互作用的定量實驗數據還比較少，特別是針對鋁粉顆粒群的燃燒診斷不夠充分，相關物理模型也尚未完善[19]。因此，設計了振蕩給粉器以脈沖形式產生顆粒群，在甲烷平面擴散火焰形成的可控高溫氧化性氛圍中進行鋁顆粒群點火和燃燒測試，并建立光學診斷技術對鋁顆粒群燃燒過程進行表征分析。

1 試驗方法

1.1 燃燒系統

如圖1所示，多元擴散平焰燃燒器是使用氣相火焰形成高溫環境的一種燃燒器，主體結構分為上下兩個部分，分別供應燃料氣和氧化氣至燃燒器表面，每根毛細管出口附近會形成一個微小的甲烷擴散火焰，而幾百個小火苗組成了近似平面的擴散火焰陣列，在焰后區形成了溫度較為均勻、氣相組分可控的高溫區。多元擴散平焰燃燒器的最大優勢是通過配氣來模擬真實燃燒裝置內的高溫氣相環境和組分氛圍，通過中心供給氣溶膠進行顆粒點火和燃燒特性測試，并具備良好的光學可視化條件。相比于McKenna平焰預混燃燒器，多元擴散燃燒器不具備回火風險，擁有更寬的溫度和組分調節能力。清華大學在過去的近十年內，利用平焰擴散燃燒器進行了大量煤粉和鋁粉非均相燃燒、納米功能材料火焰合成的研究，充分運用了該燃燒器的工況調節范圍和光學診斷條件，并且于近些年進行了推廣[15,16,20,21]。

圖1 試統和鋁粒群燃燒 Fig.1 Schematic of Experimental Setupand Image of Burning Aluminum Suspensions

使用蜂窩直徑Φ75 mm的平焰燃燒器，采用稀釋甲烷作為燃料氣，通過毛細管引入金屬蜂窩表面；使用稀釋氧氣作為氧化氣，實際操作中，氧化氣是空氣和氧氣的混合物，直接通過金屬蜂窩中的小孔到達燃燒器表面，金屬蜂窩是鎳鉻合金制成的孔徑1.6 mm左右的直孔結構。設計了火焰溫度分別為1500 k、1800 k、200 k、2200 k、2400 K的5個工況參數點，前四個工況的氧氣濃度為20%；第5個工況為了達到2400 K的高溫，氧氣度提高到30%。試程中采用射流撞擊式氣溶膠發生器進行供粉，中心給粉氣流約為0.8 L/min，攜帶鋁粉氣溶膠從中心管進入燃燒器上方的高溫區。安放在合適位置的振蕩器使得給粉呈現為脈沖形式，通過高速相機觀測給粉動態特性和脈沖周期。

1.2 光學診斷系統

如圖1所示，采用的光學診斷系統包括高速顯微攝影、發射光譜測量和比色法測溫等模塊。

1.2.1 高速顯微攝像

高速顯微攝像系統包含一臺高速相機（Phantom VEO 410E）和一個全畫幅微距鏡頭（LAOWA CA-Dreamer Macro 2X），系統可以達到約20 μm的空間分辨率，高速相機在600×800像素分辨率下幀率可達到10 000 fps，曝光時間可低至10 μs。這套系統能夠在線觀測鋁顆粒（群）燃燒過程的微觀結構。

1.2.2 發射光譜測量

實驗中采用了海洋光學（Ocean Optics）生產的便攜式光纖光譜儀（HR4000CG-UV-NIR），光路系統如圖1布置，光纖探頭連接了安裝在固定座上的準直器。光譜儀的記錄間隔約0.25 nm，實際分辨率約0.4 nm左右，在200～1100 nm波長范圍可以快速采集寬光譜數據，采集頻率接近100 Hz。使用海洋光學的標準光源對整套系統進行了波長和相對響應強度的校準，并通過鹵鎢燈光源驗證波長的偏移量不超過0.1 nm，使用標準黑體爐對可見光和紅外部分的相對響應強度進行二次校驗。使用光譜系統可采集高溫鋁顆粒的輻射信號以及AlO等氣相物質的特征峰信號。進而，基于普朗克黑體輻射定律可以獲取固體的表面溫度信息：

式中I為光強度；λ為波長；pT為待測的顆粒表面溫度；h為普朗克常數（6.626×10-34J/s）；c為光速；ε為表面發射率；k為玻爾茲曼常數（1.381×10-23J/K）。普朗克定律在高溫條件下簡化為維恩方程，在對數形式下可以進行線性擬合，從斜率中可以提取溫度信息，具體操作方法在前期工作中進行了描述[17]。此外，在獲得最小擬合誤差的過程中，可以確定顆粒表面發射率ε(λ,Tp)與波長的關系。

1.2.3 比色法測溫

比色法測溫技術同樣是依據普朗克定律，通常可以利用兩個特定波長的輻射強度比值進行推導，這種方法已經成熟應用于鋁顆粒燃燒表面溫度的測量[17]。然而文獻中采用的雙高溫計方法相對成本較高，光路和控制系統比較復雜。相比之下，耶魯大學和清華大學等發展的基于單臺彩色數碼相機的比色法具有便捷性和經濟性，具體流程在文獻中有詳細介紹[20,22,23]，這里僅就原理進行簡要描述。通常數碼相機采用RGB 3個通道記錄色彩信息，而每個通道記錄的信號可視作一定波長范圍內透過其濾光片信號的積分：

式中Si為i通道采集的信號強度；τ為曝光時間；λ1、λ2分別為積分下限和上限波長，通常在可見光范圍為400 nm和700 nm，實際計算過程中采用離散積分的方法。η i(λ)為i通道濾光片對不同波長光線的透過率。進而，通過不同通道的信號強度積分比值來推導溫度的信息：

在已知發射率ε(λ,Tp)和透射效率η i(λ)與波長λ的關系后，可以認為上述比值是待測對象表面溫度Tp的單值函數。表面發射率ε(λ,Tp)與波長的關系可通過擬合發射光譜確定。相對響應強度系數η i(λ)是設備屬性，不同相機和通道均可能存在差異，因此對每一臺設備均需要單獨標定。此外，驗證了相機各通道達到飽和前，通過“raw”格式記錄的信號強度與入射光強度呈線性關系。耶魯大學在公開網站上也提供了從“raw”格式文件提取各像素點RGB通道原始數據的開源軟件工具OMA和相關方法[24]。基于相機標定數據，以及實測的發射系數隨溫度變化規律，可以根據公式（3）計算不同溫度下的輻射強度積分比值的理論結果，建立對照曲線或表格。在得到被測對象的比色數據后，查找曲線或表格并進行線性插值，可以得到溫度信息。

分析以廣佛兩市2015年11月以來1萬的出租車GPS數據和計價器數據為基礎，限于篇幅，本次僅結合需求和用地等規劃廣佛兩市出租車返程點. 通過分析，目前出租車行程起訖點呈現出3個特點：①出行需求集中在兩市毗鄰地區，并且廣州市境內出行需求總量高于佛山市；②局部出行需求呈點狀(如廣州南站)、帶狀分布(廣佛路、花地大道、龍溪大道)分布；③除毗鄰區域外，廣佛兩市出租車需求集中在客運樞紐和地鐵站，如白云國際機場、廣州南站、廣州站、廣州東站、芳村客運站以及潯峰崗地鐵站、黃沙地鐵站、西朗地鐵站等.

1.3 鋁顆粒粒徑及形貌

圖2展示了掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的實驗中所使用平均粒徑約為45 μm鋁顆粒微觀形貌。由于制造工藝的原因，一些未燃鋁顆粒呈現為橢球狀，鋁顆粒表面通常覆蓋一層致密氧化鋁薄膜。圖2是在距離燃燒器表面高度約30 mm處，使用熱泳探針采集到的已燃顆粒，可觀測到大量尺寸明顯小于原始粒徑的微小粒子，其尺寸甚至在納米尺度。

圖2 顆粒形貌 Fig.2 Particle Morphology

2 結果與討論

2.1 鋁顆粒群分布特征

圖3展示了工況1（T0=1500 K）條件下，高速顯微攝影拍攝到的連續4幀鋁顆粒圖像，相鄰圖像間隔和曝光時間均大約為1 ms，估計顆粒運動速度約2 m/s。此時顆粒沒有發生劇烈燃燒，而是經歷快速氧化過程，輻射出亮黃色的光。可以明顯分辨出顆粒給粉在空間上不均勻，呈現為脈沖給粉現象。如圖3中虛線所圈出，存在一個顆粒密度較高的球形區域，在直徑約2 mm的球形空間內存在近50個粒子。因此，可以估算球形區域的局部粒子數密度約1000個/cm3，質量密度接近1 kg/m3。需要說明的是，這種脈沖式給粉周期、局部高密度區域尺寸、粒子濃度等均存在一定波動。

圖3 工況1（T0=1500 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.3 High-speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 1（T0=1500 K）

2.2 鋁顆粒群燃燒火焰結構

在脈沖式給粉條件下測試了其他工況的點火情形，結果表明在工況2、3、4，即1800 K、2000 K、2200 K的溫度下，鋁顆粒群均能夠實現劇烈燃燒，可以直接觀測到圖1中內嵌圖片（T0=2000 K）所示的鋁顆粒群燃燒火焰形貌，中心局部區域發出明亮的白光。這也說明相比于單分散顆粒，這種幾十微米的鋁顆粒在高粒子濃度狀態，可以在不超過1800 K的環境溫度下點燃。事實上，當進一步提高給粉濃度時，在1500 K的環境溫度下偶爾也能實現劇烈燃燒。

圖4展示了高速顯微攝像拍攝到的鋁顆粒群在工況2（T0=1800 K）條件下的燃燒狀況。圖4顯示在距離燃燒器表面約20 mm高度的位置，顆粒開始發生著火。實際觀測到的點火位置具有一定隨機性，可能上下浮動幾毫米。著火發生之后，發光區域逐漸增大，形成了直徑略大于2 mm的近似球形火焰區域，對應于圖3中觀測到的粒子密度較高的區域，火球的運動速度和周期亦與工況1（圖3）較為一致。在劇烈燃燒狀態下，由于粒子密度較高，中心氧化性組分濃度降低，推測鋁蒸氣遷移到顆粒區域邊界，與環境中氧化性組分燃燒，在邊界處出現了亮度明顯增加的球形火焰鋒面。球形火焰面集中在前鋒位置，在火球后方不明顯，且由于前方高溫區可能對傳熱和流場造成了影響，球形火焰后方更傾向為分散燃燒。

圖4 工況2（T0=1800 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.4 High-Speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 2（T0=1800 K）

球形火焰的燃燒現象在工況2～4，即1800-2200 K條件下具有相似性，但在位置上可能波動。圖5展示了工況4（T0=2200 K）觀測到的鋁顆粒群燃燒圖像，著火之后球形火焰面逐漸擴大和縱向拉伸，火焰前鋒的亮度在最后一幀圖像中降低，能夠觀測到內部密集分散的粒子。大尺寸氣相火焰面形成的燃燒產物將直接在火焰鋒面處發生凝結均相成核，而非單顆粒燃燒狀態形成尺寸接近初始粒徑的氧化帽結構，導致燃燒凝相產物尺寸變小，這便解釋了圖2中收集到的大量小尺寸燃燒產物粒子。

圖5 工況4（T0=2200 K）鋁顆粒群高速攝影（1000 fps） Fig.5 High-Speed Photography（1000 fps）of Alsuspension at Case 4（T0=2200 K）

2.3 鋁顆粒群燃燒過程溫度測量

圖6展示了光譜儀測量得到的鋁顆粒群在工況3（T0=2200 K）條件下，高度約30 mm位置處的發射光譜原始曲線、校正曲線和擬合曲線。在工況2～4條件下，測量得到的鋁顆粒群燃燒發射光譜比較相似，均在480 nm附近出現了AlO的特征信號，且擬合溫度約2800 K。由于金屬燃燒器在高溫條件下產生了一定量的Na和K特征峰信號，在曲線擬合過程中采取分段的方式規避雜峰干擾，但繪制了550 nm到800 nm范圍的完整曲線。擬合得到的溫度（～2800 K）超過了氧化鋁的熔點（～2320 K）和鋁的沸點（～2700 K），結合AlO特征信號，與高速相機觀測到的鋁蒸氣形成氣相球形火焰現象相吻合。

圖6 工況3（T0=2000 K）鋁顆粒群發射光譜 Fig.6 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case 3（T0=2000 K）

圖7 工況3（T0=2000 K）鋁顆粒群溫度云圖 Fig.7 Temperature Contour of AluminumSuspensionat Case 3（T0=2000 K）

最后，測試了2400 K和30%氧濃度條件下的鋁顆粒群燃燒。圖8中內嵌的圖片顯示此時的氣相火焰鋒面尺寸遠小于圖4和圖5所示的球形火焰，而是由更少數粒子形成的局部包絡面，單分散燃燒特征變得顯著。發射光譜出現了更強烈的AlO特征信號，擬合得到的溫度約2955 K，表明更高溫度和氧濃度條件下發生了更劇烈的燃燒過程。

圖8 工況5（T0=2400 K）鋁顆粒群發射光譜 Fig.8 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case （T0=2400 K）

3 結 論

本文發展了可控溫度和組分的平焰燃燒器以及振蕩給粉器，結合先進光學診斷技術，研究了脈沖式給粉鋁顆粒群在寬溫度范圍的點火和燃燒過程，得到結論如下：

a）微米級鋁顆粒群局部粒子濃度達到1000個/cm3，點火環境溫度不超過1800 K，低于單分散顆粒點火溫度（～2200 K）。

b）高速顯微攝像技術在1800～2200 K環境溫度條件下觀測到鋁顆粒群燃燒形成的球形氣相火焰結構，其尺寸超過2 mm，遠大于初始粒徑（～45 μm），表明鋁顆粒群在高溫氧化性氣氛下形成了新的燃燒模式。

c）發射光譜探測到AlO特征峰，擬合溫度超過2800 K，比色法測量溫度超過3000 K，均高于鋁沸點和氧化鋁熔點。

4 致 謝

感謝基礎研究項目群、國家自然科學基金和航天動力先進技術湖北省重點實驗室開放基金。