二硝酰胺銨液滴微爆特性的試驗研究

摘 要：該研究旨在揭示綠色無毒航天推進劑二硝酰胺銨（ADN）液滴在燃燒室內的微爆特性，以期提高發動機燃燒效率并減少污染物排放。通過建立掛滴式試驗系統，研究了ADN 液滴微爆過程中的形態變化，并分析了環境溫度和液滴初始直徑對微爆特性的影響。結果表明：環境溫度升高并未縮短微爆延遲時間，但導致微爆強度和持續時間減小；液滴微爆持續時間與環境溫度無顯著負相關性，而當量蒸發速率隨溫度升高而增加，增加速率逐漸減緩；著火時刻隨環境溫度升高而提前；液滴初始直徑的增大導致微爆延遲時間增加，微爆強度、持續時間和當量蒸發速率與初始直徑無明顯正相關關系，著火時刻則隨之延遲，但趨勢逐漸減弱。研究表明，環境溫度和液滴初始直徑是影響ADN 液滴微爆特性的關鍵因素，對優化ADN 作為航天推進劑的使用具有重要理論和工程意義。

關鍵詞： 含氧燃料；航天推進劑；二硝酰胺銨（ADN）；液滴形態；微爆特性

中圖分類號： TQ 562 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.02.011

含氧燃料，作為一種環保高效的能源，由于其獨特的分子結構，與化石燃料的混合使用能夠顯著提高燃燒效率，減少污染物排放。這種高效環保的特性，使得含氧燃料廣泛應用于各類內燃機設備，如汽車、航空航天領域以及農業機械和建筑工程機械等[1-2]。

在含氧燃料中，二硝酰胺銨（ammonium dinitramide，ADN）備受關注。它具有獨特的微爆效應而在燃燒過程中起到了關鍵作用[3-4]。這種微爆效應使得燃料在高溫下迅速蒸發并發生劇烈的破碎現象，從而提高燃燒效率并降低污染物排放。基于這種特性，ADN已被廣泛用作綠色無毒的航天推進劑。

微爆現象的發現和研究已有相當長的歷史。自1962 年以來，V.M.Ivanov 等學者[5] 就提出了微爆概念，并隨著研究的深入，人們逐漸認識到微爆現象在燃料燃燒過程中的重要作用。微爆能夠促進噴霧射流的二次破碎，改善燃料的霧化效果，從而提高燃料的蒸發速率和燃燒效率。

為了更深入地理解微爆現象，國內外學者[6-18] 進行了大量的理論和實驗研究。M. L. Botero 等[6] 研究了乙醇、柴油、生物柴油3 種燃料的微爆特性，揭示了不同質量分數對混合燃料液滴微爆的影響規律。C. H.Wang 等[7] 以正庚烷和十六烷的混合燃料為對象，開展了燃燒和微爆的實驗研究。M. M. Avulapati 等[8] 利用懸掛試驗系統，對柴油、生物柴油、乙醇3 種液體組成的混合燃料進行了微爆實驗探究，將混合燃料的微爆特性主要分為平滑蒸發、吹脫和爆炸3 種情況。Shuhn-Shyurng Hou 等[9] 則基于掛滴式試驗系統，深入探究了柴油和生物柴油混合后的燃料液滴的蒸發、微爆及燃燒特性。H. Watanabe 等[11] 開發了數學模型，用于預測單液滴微爆中產生的水蒸氣質量。張依姍[15]基于建立的生物柴油/ 乙醇含氣液滴仿真模型，研究了不同溫度下液滴微爆特性的影響規律。玄鐵民等[16] 探究了在不同混合體積分數、環境溫度條件下，甲醇/ 加氫催化生物柴油混合液滴的微爆特性。孟柯生[17] 研究了航空燃油、乙醇與生物柴油3 種燃料混合后的微爆特性，旨在尋找可替代航空燃油的生物柴油。

通過國內外研究現狀可以發現，目前對混合燃料單液滴微爆特性的試驗研究，主要是通過改變液滴不同組分的摻混比例或者環境溫度等參數來研究對液滴微爆特性的影響規律。基于此，本文以ADN 液滴為研究對象，搭建掛滴式試驗系統，首先進行ADN 液滴在微爆過程中的形態變化及微爆特性表征參數分析；在此基礎上，開展環境溫度和液滴初始直徑對液滴微爆特性的影響規律研究， 加深對ADN 液滴微爆影響因素及其影響規律的理解，從而為實現控制AND 液滴微爆過程提供重要依據。

1 掛滴式試驗系統

1.1 試驗系統組成

本文采用掛滴式試驗系統，試驗系統主要包括液滴生成部分、液滴傳送部分、液滴加熱部分、圖像和溫度采集部分等4 大部分，如圖1 所示。

1.2 試驗數據處理

為得到試驗中反映液滴形態變化的直徑，需要對得到的圖像數據進行處理。本文中主要通過灰度化、二值化、形態學圖像[17] 等方法來進行數據處理，處理之后的圖像可以較好地保持原狀，且可去除多余的熱電偶絲。

1.3 試驗液體

本文采用二硝酰胺銨溶液（ADN） 作為試驗液體。密度為1.29 g/mL，粘度為4.60 mPa·s，沸點為400 K，面張力為44.7 mN/m。

2 AND 液滴微爆形態及表征參數

本節基于掛滴式試驗系統，分析ADN 液滴在微爆過程中的形態變化，同時給出表征液滴微爆特性的參數。

2.1 液滴微爆形態

為研究ADN 液滴微爆形態變化，在環境溫度為415 K、液滴初始直徑D0 為1.24 mm、環境壓力為標準大氣壓的條件下，得到ADN 在微爆時液滴形態的變化過程，如圖2 所示。

從圖2 中可以看出， 在時間t = 0.02～24.04 s 時間段內，ADN 液滴體積大小基本沒有變化。在時間t = 24.04 s 以后液滴體積逐漸膨脹，到t = 39.36 s 時從液滴邊緣部分可看到有小氣泡產生，隨著小氣泡體積不斷變大，液滴體積在時間為t = 43.92 s 時達到最大值，隨后發生爆炸，氣泡破碎，液滴體積突然變小，但比初始體積要大，這應該是高溫導致液滴內部氣核體積增大所致。在時間t = 44～47.2 s 的時間段，液滴體積逐漸變大，且在t = 47.16 s 時，從液滴邊緣部分可再次看到有氣泡產生，隨后液滴發生爆炸，氣泡消失，液滴體積相對減小，但比第1 次減小時的體積要大。在t = 47.36 s 時，液滴體積又變大，沒有微爆過程發生，液滴直接燃燒（ 液滴周圍變白為燃燒后的高溫所致），整個微爆過程結束。

2.2 液滴微爆表征參數

根據圖像處理之后的液滴直徑的試驗數據，以及國內外文獻[18-23] 對液滴微爆特性的研究，本文給出了用于分析液滴微爆特性的表征參數：液滴微爆強度、液滴微爆延遲時間、液滴微爆持續時間、液滴生存時間及微爆階段的當量蒸發速率。

液滴微爆強度（I ）[18]，是指液滴在微爆階段中每次微爆強度之和，因為在液滴微爆過程中，會發生次數較多的微爆，所以用每次微爆強度之和來表示液滴微爆強度更加合理。單次微爆強度用液滴微爆前的液滴直徑（di1） 平方與微爆后液滴直徑（di2） 平方之比來表示，液滴微爆強度的表達式如式（1） 所示。

其中： di1 為液滴微爆前液滴直徑，di2 為液滴微爆后液滴直徑。

圖3 給出的是液滴微爆延遲時間、液滴微爆持續時間及液滴生存時間的示意圖；縱坐標為液滴歸一化直徑平方D2 / D02，是指液滴當前直徑（D） 平方與液滴初始直徑（D0） 平方的比值；橫坐標為標準化時間τ，是指時間與液滴初始直徑平方的比值，τ = t / D02。

液滴微爆延遲時間（φ1），是指液滴從進入加熱室位置時刻t0 到液滴首次發生微爆的時刻t2 的時間段與液滴初始直徑平方的比值，可以反映液滴在微爆發生時吸收能量的多少。

液滴微爆持續時間（φ2），是指液滴在發生微爆前開始膨脹的時刻t1 到液滴最后一次微爆結束后的時刻t3 的時間段與液滴初始直徑平方的比值，此時間段液滴直徑平方隨著時間變化會有較為劇烈的波動過程。

液滴生存時間（φ0），是指液滴從進入加熱室位置時刻t0到液滴完全消失或只剩殘留物（即液滴體積不再隨時間變化）的時刻t4的時間段與液滴初始直徑平方的比值。

微爆持續時間所占液滴生存時間的百分比，是指液滴微爆持續時間φ2 與液滴生存時間φ0 的比值，可以反映液滴微爆階段在液滴壽命中的占比。

在液滴微爆階段，液滴直徑處于不斷變化的波動過程，所以其微爆過程中的蒸發速率不容易計算。為便于后續分析微爆階段，本文中將微爆階段的當量蒸發速率定義為：液滴微爆發生前開始膨脹時刻t1 的液滴直徑平方及液滴最后一次微爆結束后的時刻t3 的液滴直徑平方的差值與兩時刻之間時間差的比值，當量蒸發速率的表達式如式（2） 所示：

其中： d1 為t1 時刻的液滴直徑大小，d3 為t3 時刻的液滴直徑大小。

3 AND 液滴微爆特性研究

基于對AND 液滴微爆形態及表征參數的分析，本節將探究環境溫度、液滴初始直徑對液滴微爆特性的影響。

3.1 環境溫度對AND 微爆特性的影響

理論上環境溫度改變會對ADN 液滴的微爆強度、微爆時間等微爆特性產生重要影響。圖4 給出的是液滴初始直徑為1.24 mm、環境壓力為標準大氣壓的條件下，環境溫度分別為405、415、425 K 時，ADN 液滴在微爆過程中的形態變化。

由圖4 可以看出，在圖4a 中ADN 液滴共發生3次微爆（用虛線框標出），第1 次微爆前后液滴體積變化最大，最后一次微爆液滴體積變化最小，且最后一次微爆發生后液滴很快就發生著火現象。在圖4b 中AND 液滴發生兩次微爆，之后液滴發生著火現象。在圖4c 中ADN 液滴僅發生一次微爆，間隔一段時間之后液滴發生著火現象。

通過對比圖4 的3 幅圖可以看出，在環境溫度高于沸點的前提下，AND 液滴均會發生著火現象，且環境溫度越高，微爆發生的次數越少。

由圖5a 可知，當環境溫度（T） 為425 K 時，ADN液滴在微爆中生存時間最短；405 K 時最長；415 K 時居中，與405 K 相差小。因此，液滴生存時間隨環境溫度升高而減少。

由圖5b 可見，液滴歸一化直徑平方（D2 / D02） 波動隨環境溫度升高而降低。425 K 時波動最小；405 K 時波動最大，但與415 K 相差小。

綜合圖5，液滴達到環境溫度所需時間與生存時間相差小，因液滴燃燒快。燃燒時，液滴溫度快速升至遠高于環境溫度的最大值后迅速降至環境溫度。3種溫度下，最大值相差小，但出現時刻不同。

關于液滴微爆延遲時間φ1，由圖6 可以看出，當環境溫度為415 K 時， φ1 最長；當環境溫度為425 K 時，φ1 最短，與溫度405 K 時相比，φ1 相差較小。因此，對于ADN 液滴，φ1 不會隨環境溫度的增加而縮短，這可能是由于液滴微爆的發生條件與環境溫度并不存在負相關關系。

關于液滴微爆強度I，由圖6 可以看出，當環境溫度為405 K 時， 液滴微爆強度I 最大， 與環境溫度415、425 K 時相比，微爆強度I 分別增加37.49%、96.53% ；當環境溫度為425 K 時，微爆強度I 最小，與環境溫度為415 K 時相比，微爆強度I 減少30.04%。由此可知，對于ADN 液滴，隨著環境溫度不斷升高，液滴微爆強度I 逐漸減小，但減小幅度也逐漸變小。

由圖7a 可知，當環境溫度為405 K 時，液滴微爆持續時間（φ2） 最長，與415、425 K 時相比，分別增加55.64% 和65.25%。而425 K 時微爆持續時間最短，與415 K 時相比減少5.81%。因此，ADN 液滴的微爆持續時間隨溫度升高而減少。

此外，415 K 時微爆持續時間占生存時間百分比最低，而405 K 時最高，與415、425 K 時相比，分別增加54.05% 和27.36%。這意味著液滴微爆持續時間所占百分比與環境溫度并非負相關，與微爆持續時間與溫度的關系不一致。

由圖7b 可知，425 K 時液滴當量蒸發速率最高，與405、415 K 時相比，分別增加70.27% 和7.75%。而405 K 時最低，415 K 比405 K 增加58.02%。因此，隨著溫度升高，蒸發速率增加但速率減小。

另外，425 K 時液滴著火時刻最早，與405 K 和415 K 相比，分別提前23.01% 和22.21%。而405 K 時最晚， 415 K 比405 K 提前1.02%。因此，隨著溫度升高，著火時刻提前。

3.2 液滴初始直徑對AND 微爆特性的影響

除了環境溫度，液滴初始直徑也是影響液滴微爆特性的一個重要因素。本小節將探究液滴初始直徑對ADN 微爆特性的影響。

圖8 給出的是在環境溫度為415 K、環境壓力為標準大氣壓的條件下，液滴初始直徑分別為0.98、1.24、1.42 mm 時，ADN 液滴在微爆過程中的形態變化。

由圖8 可以看出，在圖8a 中ADN 液滴共發生2 次微爆，2 次微爆后的液滴體積變化相差不大，且最后一次微爆發生后又經過一段時間，液滴膨脹后才發生著火現象。在圖8b、圖8c 中AND 液滴也分別發生2 次微爆，2 次微爆后的液滴體積變化相差較大，之后液滴發生著火現象。

通過對比圖8 的3 幅圖可以看出，在環境溫度高于沸點的前提下，3 種液滴初始直徑下AND 液滴均會發生著火現象；液滴微爆發生的次數與液滴初始直徑的相關性不強。

由圖9a 可知， 當液滴初始直徑為1.42 mm 時，ADN 液滴在微爆過程中的生存時間最長；當液滴初始直徑為0.98 mm 時，液滴生存時間最短。液滴初始直徑越大，微爆過程中生存時間越長。

由圖9b 可看出，液滴初始直徑越大，微爆過程中液滴最大直徑平方值也越大。這說明微爆過程中液滴最大直徑與液滴初始直徑存在正相關關系。

綜合圖9，3 種不同液滴初始直徑下，液滴溫度達到環境溫度的時間有較大差異。初始直徑為1.42 mm時，所用時間最長，液滴燃燒時溫度最高；初始直徑為0.98 mm 時，所用時間最短，液滴燃燒時溫度最低。這說明液滴初始直徑越大，燃燒時液滴溫度越高。這是因為液滴初始直徑越大，攜帶能量越多，燃燒時釋放的熱量也越多。

關于液滴微爆延遲時間φ1，由圖10 可以看出，液滴初始直徑D0 為1.42 mm，液滴φ1 最長，與D0 為0.98、1.24 mm 相比，分別增加33.02%、2.11% ；液滴D0 為0.98 mm 時，液滴φ1 最短；液滴D0 為1.24 mm 時，與直徑為0.98 mm 相比，φ1 增加30.29%。因此，隨著液滴D0 的變大，液滴φ1 會增加，但增長幅度會逐漸變小。

關于液滴微爆強度I，由圖10 可以看出，液滴初始直徑D0 為1.24 mm 時，液滴微爆強度最大，與D0為0.98、1.24 mm 相比，微爆強度分別增加14.26%、45.73% ；當D0 為1.42 mm 時，液滴微爆強度最小。由此可知，對于ADN 液滴，液滴微爆強度不會隨液滴D0 的增大而一直增加， 而是當液滴D0 增加到某一值時，微爆強度開始逐漸減小。

由圖11a 清晰可見，當液滴的初始直徑為1.42 mm時，液滴的微爆持續時間最長。而當液滴的初始直徑為1.24 mm時，液滴的微爆持續時間最短。直徑為0.98mm 的液滴的微爆持續時間則位于兩者之間。進一步比較發現，直徑為1.42 mm 的液滴與直徑為0.98、1.24mm 的液滴相比，其微爆持續時間分別增加了0.41%和12.62%。這表明：對于ADN 液滴，隨著初始直徑的增加，微爆持續時間并非一直增長，而是呈現先減少后增加的趨勢，這意味著微爆持續時間與液滴的初始直徑之間不存在正相關關系。

此外，從圖11a 還可以觀察到，隨著液滴初始直徑的增大，液滴微爆持續時間占液滴生存時間的百分比呈現先減小后增大的趨勢，這與微爆持續時間與初始直徑的關系是一致的。

從圖11b可以發現當液滴的初始直徑為1.24 mm時，液滴的當量蒸發速率最高，與直徑為0.98、1.42 mm的液滴相比，其蒸發速率分別增加了99.02%和6.87%。這意味著，對于ADN液滴，隨著初始直徑的增大，蒸發速率呈現先增大后減小的趨勢，即蒸發速率與初始直徑之間也不存在正相關關系。

同時，從圖11b 中還可以觀察到，當液滴的初始直徑為1.42 mm 時，液滴的著火時刻（tfire） 最晚，與直徑為0.98、1.24 mm 的液滴相比，著火時刻分別延遲了32.17% 和8.71%。而直徑為0.98 mm 的液滴的著火時刻最早。這表明，隨著液滴初始直徑的增大，液滴的著火時刻會不斷延遲，但延遲的趨勢逐漸減小。這是因為隨著液滴直徑的增大，液滴著火所需的能量也越多。在相同條件下，吸收能量所需的時間越長，著火時刻也就越晚。

4 結 論

本文以二硝酰胺銨（ADN） 液滴為研究對象，搭建了掛滴式試驗系統，首先分析了ADN 液滴在微爆過程中的形態變化，同時給出了表征液滴微爆特性的參數；在此基礎上，開展了環境溫度和液滴初始直徑對液滴微爆特性的影響規律研究。

1） ADN 液滴在微爆過程中的生存時間隨環境溫度的升高而減少；在液滴微爆階段，液滴歸一化直徑平方的波動值隨環境溫度的升高逐漸降低；3 種不同環境溫度下，液滴溫度達到環境溫度所用的時間與液滴生存時間相差較小；著火時刻液滴溫度會達到一個遠高于環境溫度的最大值，不同環境溫度下該最大值相差較小，但最大值產生的時刻不同。

2） ADN 液滴微爆延遲時間不會隨環境溫度的增加而縮短，液滴微爆強度和液滴微爆持續時間均會隨著環境溫度的不斷升高而逐漸減小；液滴微爆持續時間所占液滴生存時間的百分比與環境溫度并不存在負相關關系，這和液滴微爆持續時間與環境溫度的關系不一致；液滴當量蒸發速率會隨著環境溫度的升高而不斷增加，但增加速率會越來越小；液滴著火時刻會隨環境溫度的升高而提前。

3） 在環境溫度高于沸點的前提下，3 種液滴初始直徑下AND 液滴均會發生著火現象；液滴微爆發生的次數與液滴初始直徑的相關性不強；ADN 液滴在微爆過程中的生存時間隨著液滴初始直徑的增大而加長，液滴的最大直徑與液滴初始直徑存在正相關關系；液滴初始直徑越大，液滴燃燒時液滴溫度越高。

4） ADN 液滴微爆延遲時間會隨著液滴初始直徑的增大而增加；液滴微爆強度、液滴微爆持續時間和液滴當量蒸發速率與液滴初始直徑均不存在正相關關系；隨著液滴初始直徑的不斷增大，液滴微爆持續時間占液滴生存時間的百分比呈現先減小后增大的趨勢，這和液滴微爆持續時間與液滴初始直徑的關系一致；液滴著火時刻會隨著液滴初始直徑的增大而不斷延遲，但延遲趨勢越來越小。

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