邱 俊,何國(guó)強(qiáng),劉佩進(jìn),劉 洋
(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)
固體推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物凝相粒子的粒度分布是發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算和兩相流數(shù)值模擬的重要參數(shù)。對(duì)于固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說,富燃料推進(jìn)劑一次燃燒產(chǎn)物的凝相粒度分布直接影響到噴射效率和二次燃燒效率。為獲得推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的凝相粒度分布,國(guó)內(nèi)外開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究[1-2],利用不同的方法和裝置,將燃燒產(chǎn)物捕獲和凍結(jié),利用粒度分析設(shè)備分析捕獲的粒子。目前,對(duì)丁羥和NEPE固體推進(jìn)劑在不同壓強(qiáng)下的凝相燃燒產(chǎn)物粒度特性有了較明確的認(rèn)識(shí)。
隨著固體推進(jìn)劑燃燒溫度的提高,絕熱燃燒溫度可能超過Al2O3的汽化溫度和C的升華溫度,凝相燃燒產(chǎn)物在燃燒室流動(dòng)過程中可能存在相變,影響到凝相產(chǎn)物的粒度分布,進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。此時(shí),由于可能存在冷卻凝結(jié)現(xiàn)象,采用捕獲方法獲得的凝相粒子粒度已不能準(zhǔn)確反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際情況,需采用在線分析方法對(duì)燃燒產(chǎn)物的粒度特性開展研究。
激光衰減測(cè)量粒子參數(shù)的方法是一種非接觸的測(cè)量方法,國(guó)外成功用于常溫常壓環(huán)境下的燃燒產(chǎn)物粒度特性的在線分析。本文利用該方法對(duì)高鋁含量富燃推進(jìn)劑在燃燒狀態(tài)下的凝相燃燒產(chǎn)物粒度特性進(jìn)行在線測(cè)量,解決了不同波長(zhǎng)激光的光學(xué)介入問題。同時(shí),對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了掃描電鏡分析,獲得了凝相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑,與激光衰減法測(cè)量粒子參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了激光衰減法測(cè)量粒子參數(shù)的合理性,為進(jìn)一步開展高能推進(jìn)劑的燃燒在線分析奠定基礎(chǔ)。
當(dāng)初始光強(qiáng)為I0的光穿過均勻的粒子介質(zhì)時(shí)(見圖1),經(jīng)過吸收和散射的透射光強(qiáng)為I,根據(jù)Beer定律有[2-3]
式中T為光傳播分?jǐn)?shù);I0為初始光強(qiáng);I為透射光強(qiáng);Q為消光系數(shù);A為粒子吸收截面的面積;L為光通過粒子群的長(zhǎng)度;Cm為粒子的質(zhì)量濃度;ρ1為單個(gè)粒子的密度;n為粒子的數(shù)量;d為粒子直徑。
圖1 激光衰減測(cè)量粒子參數(shù)原理示意圖Fig.1 Scheme of laser attenuation measuring particle param eters
實(shí)際中,粒子的尺寸是不一樣的,對(duì)于這種多分散體系,Beer定律[4-5]可描述為
式中N(d)為直徑d~d+Δd之間的粒子數(shù)目。
當(dāng)用2束光照射粒子群時(shí),根據(jù)式(1)可得:
通過測(cè)量2束光的初始光強(qiáng)和透射光強(qiáng)的值,就可得到等式左邊的值,等式右邊只與粒子的表面積平均直徑d32和其折射率n有關(guān)。
應(yīng)用Mie散射理論,可獲得粒子的消光系數(shù)Q,其為粒子折射率n(包括實(shí)部nr,虛部ni)和尺度參數(shù)x=2πr/λ的函數(shù)。利用Van de Hulst給出了消光系數(shù)的公式來計(jì)算Q[7]:
對(duì)于 0.532 μm,有n=1.77 -10-6i[6];對(duì)于 10.6 μm,有n=1.09 -5 ×10-4i。
粒徑和 ˉQ(λ1,d32)/ˉQ(λ2,d32)的關(guān)系見圖 2。對(duì)在30μm以上的粒徑和消光系數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù),可使用外推的方法來獲得。
圖2 消光系數(shù)比與粒徑的關(guān)系Fig.2 Extinction coefficient ratio and particle size
從激光衰減法測(cè)量粒子參數(shù)的原理可看出,通過粒子群的長(zhǎng)度L在使用雙波長(zhǎng)法測(cè)量時(shí),只要保證L相等,無(wú)論是采用圓形的燃?xì)馔ǖ?,還是采用方形的燃?xì)馔ǖ溃疾粫?huì)影響粒子尺寸的測(cè)量結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示(圖中細(xì)虛線表示光路)。10 600 nm的光路和532 nm的光路處于同一水平面上。CO2激光器發(fā)出的激光從左邊垂直照射到樣品中,穿過樣品后經(jīng)過一個(gè)10 600 nm濾光鏡,可濾掉其他波長(zhǎng)的光,只通過10 600 nm的激光,最后經(jīng)過CO2功率計(jì)(可保證只接收10 600 nm的光強(qiáng)信號(hào))接收信號(hào),并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)上,532 nm激光器的激光從紙內(nèi)垂直照射樣品,穿過樣品后經(jīng)532 nm濾光鏡,濾掉除了532 nm之外其他的波長(zhǎng),通過532 nm的光電檢測(cè)器接收信號(hào)(可保證接收532 nm的信號(hào)),最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。在532 nm濾光鏡和藍(lán)寶石光學(xué)窗口以及10 600 nm濾光鏡和ZnS光學(xué)窗口之間放置一個(gè)光闌,可有效防止藥條在燃燒過程發(fā)出的光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。采用15 mm的光學(xué)窗口對(duì)10 600 nm來說,光強(qiáng)影響很小,不到 10%,對(duì)532 nm光強(qiáng)的影響稍微大一些,其影響都在可接受范圍內(nèi)。
圖3 激光衰減法測(cè)試粒子參數(shù)系統(tǒng)圖Fig.3 Laser attenuation test particle parameter system
實(shí)驗(yàn)中藥條放在4個(gè)側(cè)面都開有直徑15 mm圓孔的敞口有機(jī)玻璃容器里,有機(jī)玻璃內(nèi)壁面緊貼著一層石墨墊,石墨墊在與有機(jī)玻璃同樣位置開有直徑15 mm的圓孔,鋪石墨墊有2個(gè)作用:一是隔熱,防止藥條燒壞有機(jī)玻璃;二是隔光,防止藥條發(fā)出的光影響到CO2功率計(jì)和532 nm的光電探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)?0 600 nm濾光鏡和CO2激光功率計(jì)位置很近,532 nm濾光鏡和532 nm光電探測(cè)器距離很近,并在外部采取了一定保護(hù)措施,都是為了防止藥條發(fā)出的光影響到CO2激光功率計(jì)和532 nm光電探測(cè)器的信號(hào)。
有機(jī)玻璃側(cè)壁的4個(gè)圓孔可安置光學(xué)窗口,對(duì)不同的光路選用不同的窗口。在532 nm的光路上,選用藍(lán)寶石窗口,它的光譜透過率在0.18 ~4μm,可透過532 nm的激光;在10 600 nm的光路上,選用ZnS窗口,它的光譜透過率在 0.38 ~14μm,可透過10 600 nm的激光。如果要使2束光都透過,則藍(lán)寶石窗口和ZnS窗口都不能滿足要求,藍(lán)寶石窗口不能透過10 600 nm的激光,ZnS窗口雖然可透過532 nm的激光,但發(fā)散的特別厲害,無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)中光束單一性的要求。ZnSe窗口可滿足這樣的要求,它的光譜透過率在0.5~22μm,而且對(duì)532 nm和10 600 nm的光都不會(huì)發(fā)散。本實(shí)驗(yàn)使用藥條的量很少,如果使用一般的推進(jìn)劑藥條,燃燒后鋁粒子含量較少,有可能不會(huì)通過2束光的光路或只有很少一部分通過光路,影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,本文使用的高鋁含量富燃推進(jìn)劑是一種新型的推進(jìn)劑,含鋁量很高,可保證燃燒后鋁粒子通過2束光的光路。高鋁含量富燃推進(jìn)劑藥條分為3種樣品:(1)樣品1。含鋁量45%,初始鋁粒子平均粒徑為15μm的高鋁含量富燃推進(jìn)劑。(2)樣品2。含鋁量45%,初始鋁粒子平均粒徑為15μm的高鋁含量富燃推進(jìn)劑。(3)樣品3。含鋁量45%,初始鋁粒子平均粒徑為1μm的高鋁含量富燃推進(jìn)劑。
2.2.1 樣品1實(shí)驗(yàn)
圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)的樣品1的CO2和532 nm激光光強(qiáng)的電壓信號(hào)與時(shí)間曲線。圖5(a)為通過計(jì)算的樣品1的平均粒徑與時(shí)間分布圖。從圖4(a)可看出,在23.5~26.25 s屬于藥條燃燒段。由圖 5(a)可見,在這段時(shí)間,每一時(shí)刻的時(shí)刻平均粒徑的最大值為39.6 μm,對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出這一段時(shí)間內(nèi)總的平均粒徑為14.77μm。
圖4 CO2和532 nm激光光強(qiáng)的電壓信號(hào)和時(shí)間曲線Fig.4 Voltage signal of CO2 and 532 nm laserintensity and time curve
2.2.2 樣品2實(shí)驗(yàn)
圖5(b)為通過計(jì)算得到的樣品2的平均粒徑與時(shí)間分布圖。同理,可得到CO2和532 nm激光光強(qiáng)的電壓信號(hào)與時(shí)間曲線,在38.3~40 s之間屬于藥條燃燒段。從圖5(b)可看出,在這段時(shí)間,每一時(shí)刻平均粒徑的最大值為47.1μm,對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出這一段時(shí)間內(nèi)總的平均粒徑為17.91μm。
2.2.3 樣品3實(shí)驗(yàn)
圖5(c)為通過計(jì)算的樣品3的平均粒徑與時(shí)間分布曲線。同理,可得到CO2和532 nm激光光強(qiáng)的電壓信號(hào)與時(shí)間曲線,在19~21.6 s之間屬于藥條穩(wěn)定燃燒段。從圖5(c)可看出,在這段時(shí)間,每一時(shí)刻平均粒徑的最大值為37.83μm,對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出這一段時(shí)間內(nèi)總的平均粒徑為16.32μm。
作為一種新型的推進(jìn)劑,國(guó)內(nèi)外未見高鋁含量富燃推進(jìn)劑在冷態(tài)燃燒后粒徑尺寸的相關(guān)報(bào)道。因此,對(duì)樣品1~樣品3燃燒后凝相燃燒產(chǎn)物分別采用掃描電鏡進(jìn)行外觀分析,與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖6顯示了放大倍數(shù)為500倍的粒子圖像照片。
對(duì)樣品1燃燒后的凝相燃燒產(chǎn)物的電鏡照片進(jìn)行處理(圖6(a)),可計(jì)算出電鏡照片上的凝相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑d32=16.38μm,激光衰減法所測(cè)的粒徑為14.77μm,2種測(cè)試方法的差別為1.61 μm,與電鏡照片所得數(shù)據(jù)相比,誤差為9.82%。
對(duì)樣品2燃燒后的凝相產(chǎn)物的電鏡照片進(jìn)行處理(圖6(b)),可計(jì)算出電鏡照片上的凝相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑d32=18.05μm,激光衰減法所測(cè)的粒徑為17.91μm,2種測(cè)試方法的差值為0.14μm,與電鏡照片所得數(shù)據(jù)相比,誤差為0.78%。
對(duì)樣品3燃燒后凝相產(chǎn)物的電鏡照片進(jìn)行處理(圖6(c)),可計(jì)算出電鏡照片上的凝相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑d32=15.63μm,激光衰減法所測(cè)的粒徑為16.32μm,2種測(cè)試方法的差別為0.69 μm,與電鏡照片所得數(shù)據(jù)相比,誤差為4.41%。
圖5 平均粒徑與時(shí)間曲線Fig.5 Average particle size and time curves
圖6 燃燒粒子的SEMFig.6 SEM of particles
采用激光衰減法測(cè)量了樣品1~3燃燒時(shí)凝相粒子的平均尺寸,3種樣品燃燒時(shí)的平均尺寸分別是14.77、17.91 、16.53 μm。對(duì) 3 種樣品燃燒后的凝相產(chǎn)物的電鏡照片進(jìn)行處理,得到的平均粒徑分別為16.38、18.05、15.63 μm,與對(duì)電鏡照片處理后的平均粒徑相比,三者誤差分別為9.82%、0.78%和4.41%。說明了激光衰減法測(cè)量粒子參數(shù)的合理性。
[1] 劉佩進(jìn),白俊華,楊向明,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凝相粒子的收集與分析[J].固體火箭技術(shù),2008,31(5).
[2] 楊曄,張鎮(zhèn)西,蔣大宗.微粒直徑及直徑分布的光學(xué)測(cè)量技術(shù)[J].激光技術(shù),1997,21(2).
[3] Gilbert N Plass.Mie scattering and absorption cross sections for absorbing particles[J].Applied Opticles,1966,5(2).
[4] Kenneth L Cashdollar,Calvin K Lee,Joseph M Singer,Three-wavelength light transmission technique to measure smoke particle size and concentration[J].Applied Opticles,1979,18(11).
[5] David L Parry,M Quinn Brewster.Optical constant and size of propellant combustion aluminum oxide smoke[R].AIAA 88-3350.
[6] Gilbert N Plass.Temperature dependence of themie scattering and absorption cross sections for aluminum oxide[J].Applied Opticles,1965,4(12).
[7] Van de Hlulst,fl C.Light scattering by small particles[M].John Wiley and Sons,Inc.,New York ,1957.