朱國(guó)強(qiáng)，鞠玉濤，周長(zhǎng)省，成紅剛

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

PMMA激光點(diǎn)火特性研究①

朱國(guó)強(qiáng)，鞠玉濤，周長(zhǎng)省，成紅剛

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

采用CO2激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了常壓下PMMA的點(diǎn)火過(guò)程以及點(diǎn)火延遲時(shí)間與點(diǎn)火熱流密度的關(guān)系。研究結(jié)果表明，隨點(diǎn)火熱流密度的增加，PMMA的點(diǎn)火延遲時(shí)間減少;當(dāng)點(diǎn)火熱流密度大于286 W/cm2時(shí)，熱流密度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響變小;當(dāng)點(diǎn)火熱流密度較低時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著熱流密度的減小而急劇增加，且存在點(diǎn)火的最低能量閾值。最后，給出了常壓下熱流密度范圍為70～881 W/cm2內(nèi)的PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間與點(diǎn)火熱流密度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

PMMA點(diǎn)火;激光點(diǎn)火;點(diǎn)火延遲;點(diǎn)火熱流密度

0 引言

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)由于其價(jià)格便宜、易加工和燃燒燃?xì)馇鍧?，近年?lái)被作為碳?xì)漕惛蝗脊腆w推進(jìn)劑，廣泛應(yīng)用于固體燃料亞燃和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在這一領(lǐng)域，以色列［1-2］對(duì)以PMMA為燃料的亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，揭示了燃燒室內(nèi)的燃燒特性和燃料退移規(guī)律。Angus等［3］則對(duì)以PMMA為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，燃?xì)馀c超聲速空氣氣流的混合條件對(duì)超聲速燃燒效率有顯著影響。Tahsini A M［4］以流固耦合方法，對(duì)突擴(kuò)臺(tái)階后PMMA平板的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究表明，強(qiáng)熱流而時(shí)間短的點(diǎn)火器不利于燃料點(diǎn)火向穩(wěn)定燃燒過(guò)渡。夏強(qiáng)等［5］對(duì)以PMMA為燃料的固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度及組分分布。這些研究大多側(cè)重于PMMA的燃燒性能，而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，PMMA的點(diǎn)燃及向穩(wěn)態(tài)燃燒的過(guò)渡是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)關(guān)于PMMA點(diǎn)火過(guò)程特性的研究報(bào)道。

激光作為研究推進(jìn)劑點(diǎn)火特性的點(diǎn)火源，已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。Ulas A等［6］采用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)，研究了氣體發(fā)生器用6種不同推進(jìn)劑的點(diǎn)火性能，建立了點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光熱流密度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。徐浩星等［7］應(yīng)用 CO2激光點(diǎn)火器，研究了丁羥推進(jìn)劑中氧含量、燃速等因素及激光點(diǎn)火熱通量與點(diǎn)火延遲時(shí)間之間的關(guān)系。

本文在這一背景下，采用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)，開(kāi)展了PMMA點(diǎn)火過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，揭示PMMA整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中的物理化學(xué)現(xiàn)象，研究熱流密度與點(diǎn)火延遲時(shí)間之間的關(guān)系，為PMMA點(diǎn)火機(jī)理分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供必要基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試件制備

PMMA由甲基丙烯酸甲酯單體聚合而成，高度透明且易加工。本實(shí)驗(yàn)原材料取至同一5 mm厚的高純度PMMA平板，保證其點(diǎn)火表面為統(tǒng)一拋光面，采用激光切割方法，加工成圓柱形樣品，其尺寸為φ10 mm×5 mm，如圖1所示。去除表面有瑕疵的殘次品，共取55個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，分為11組。

圖1 PMMA實(shí)驗(yàn)樣品Fig.1 PMMA experimental samples

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。采用可調(diào)功率的CO2激光器作為點(diǎn)火源，激光光斑直徑為3 mm。點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置為帶觀察窗的圓柱形燃燒室，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為φ200 mm×500 mm。由于體積足夠大，而PMMA樣品質(zhì)量較小，點(diǎn)火過(guò)程中燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)變化可忽略不計(jì)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 The experiment system diagram

采用光電管及瞬態(tài)采集系統(tǒng)記錄火焰產(chǎn)生過(guò)程，同時(shí)用高速錄像系統(tǒng)記錄點(diǎn)火全過(guò)程。激光器出光和加載總時(shí)間由激光控制器控制，出光信號(hào)由瞬態(tài)采集系統(tǒng)1路記錄作為激光加載初始時(shí)間，同時(shí)出光信號(hào)經(jīng)放大點(diǎn)亮發(fā)光二極管，作為高速錄像記錄的激光加載初始時(shí)間。光電管將樣品出現(xiàn)的初始火焰光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由瞬態(tài)采集系統(tǒng)2路記錄作為點(diǎn)火判據(jù)，同時(shí)由高速錄像系統(tǒng)記錄PMMA樣品氣化、起火和燃燒過(guò)程。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

激光能獨(dú)立于壓強(qiáng)、初溫、氛圍氣體及推進(jìn)劑組分等因素改變熱流密度，使得測(cè)試結(jié)果具有很高的可比性。由于在PMMA點(diǎn)火過(guò)程中，影響PMMA傳熱、分解和燃燒的主要因素是加載的熱流密度，因而文中著重研究熱流密度對(duì)PMMA點(diǎn)火過(guò)程的影響。

實(shí)驗(yàn)在常溫20℃大氣環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前，采用激光功率計(jì)對(duì)CO2激光功率進(jìn)行標(biāo)定;實(shí)驗(yàn)中，激光持續(xù)加載時(shí)間遠(yuǎn)大于點(diǎn)火延遲時(shí)間。定義點(diǎn)火延遲時(shí)間為激光開(kāi)始加載到PMMA樣品表面出現(xiàn)第一束火焰的時(shí)間。高速錄像采用240幀/s進(jìn)行拍攝。

實(shí)驗(yàn)中，分別選取 60、70、120、158、204、232、286、460、603、746、881 W/cm211 種激光熱流密度;為考察點(diǎn)火延遲時(shí)間的重復(fù)性，每種熱流密度下做5次實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測(cè)量方法分析

圖3為激光熱流密度為204 W/cm2時(shí)測(cè)得PMMA點(diǎn)火過(guò)程的光電曲線。其中，縱坐標(biāo)為光電傳感器測(cè)得的電壓值。由圖3可見(jiàn)，采用光電測(cè)量方法輸出是典型的階躍信號(hào)，可準(zhǔn)確判讀激光加載和起火的時(shí)間點(diǎn)，測(cè)得的點(diǎn)火延遲時(shí)間為213 ms。

圖3 點(diǎn)火過(guò)程的光電信號(hào)(激光熱流密度為204 W/cm2)Fig.3 The photoelectric signal of ignition process(laser heat flux is 204 W/cm2)

2.2 點(diǎn)火過(guò)程機(jī)理分析

由文獻(xiàn)［8］可知，在空氣環(huán)境中，PMMA在高溫分解時(shí)的產(chǎn)物主要為可燃性氣體MMA，即單體甲基丙烯酸甲酯(化學(xué)式為C5H8O2)。

圖4所示為高速錄像記錄的在熱流密度為204 W/cm2激光輻射下，PMMA點(diǎn)火過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。其中，圖4(a)所示為L(zhǎng)ED燈剛點(diǎn)亮，記錄為激光加載初始時(shí)刻0 ms;圖4(b)所示為75 ms時(shí)PMMA試樣表面開(kāi)始析出高溫可燃性MMA氣體;圖4(c)所示為持續(xù)分解出的產(chǎn)物MMA氣體在空氣中自然對(duì)流上升擴(kuò)散;圖4(d)所示為212.5 ms時(shí)MMA氣體被點(diǎn)燃，并產(chǎn)生第一束火焰;圖4(e)所示為火焰向下傳播;圖4(f)所示為PMMA在激光持續(xù)作用下穩(wěn)定燃燒。

圖4 PMMA點(diǎn)火過(guò)程圖像(激光熱流密度為204 W/cm2)Fig.4 PMMA ignition process images(laser heat flux is 204 W/cm2)

可見(jiàn)，當(dāng)PMMA受熱后，表面熱量快速積累，溫度迅速升高，并分解出MMA氣體。隨后，MMA氣體在空氣中自然對(duì)流上升逐漸形成橢球狀氣團(tuán)。在這過(guò)程中，激光能量一部分被MMA氣體吸收，從而使MMA氣體溫度持續(xù)升高，另一部分被PMMA吸收，從而使其維持分解反應(yīng)，當(dāng)MMA氣體濃度和溫度到達(dá)閾值時(shí)，MMA氣體被點(diǎn)燃。激光持續(xù)加載，PMMA可穩(wěn)定燃燒，但當(dāng)激光關(guān)閉后，火焰很快熄滅，說(shuō)明外界熱流的持續(xù)作用對(duì)PMMA建立穩(wěn)定燃燒起著主導(dǎo)作用。

2.3 熱流密度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間影響分析

不同激光熱流密度下的PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。低熱流密度下，5次點(diǎn)火延遲時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差在9%以下，而高熱流密度下，則達(dá)到4%以下，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好。

由表1和圖5可知，隨激光熱流密度的增加，PMMA的激光點(diǎn)火延遲時(shí)間顯著減小。這是由于增加激光熱流密度，加快了PMMA樣品表面溫度的升高，PMMA的熱分解速率加快，可燃性MMA氣體產(chǎn)生流率加大，最終使得點(diǎn)火延遲時(shí)間減小。但熱流密度較高時(shí)，這種效應(yīng)不明顯，當(dāng)熱流密度大于286 W/cm2時(shí)，由熱流密度引起的點(diǎn)火延遲時(shí)間的差別很小，這說(shuō)明PMMA的惰性加熱和分解吸熱達(dá)到平衡狀態(tài)，這一值可作為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器設(shè)計(jì)的閾值。當(dāng)熱流密度較低時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著熱流密度的減小而急劇增加。PMMA樣品在60 W/cm2激光熱流密度作用下，不論輻射多長(zhǎng)時(shí)間都不能點(diǎn)火，樣品只是不斷分解出少量的氣體，無(wú)火焰產(chǎn)生，說(shuō)明PMMA在點(diǎn)火過(guò)程中存在最低點(diǎn)火能量閾值。

表1 不同激光熱流密度下PMMA樣品的點(diǎn)火延遲時(shí)間Table 1 Ignition delay times at various laser heat flux density

圖5 點(diǎn)火延遲時(shí)間隨熱流密度的變化Fig.5 Variation curve of ignition delay time with heat flux density

3 點(diǎn)火延遲時(shí)間-熱流密度關(guān)系

點(diǎn)火延遲時(shí)間是表征推進(jìn)劑點(diǎn)火特性的主要參數(shù)，也是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文實(shí)驗(yàn)中，由于PMMA熱分解的同時(shí)，MMA氣體在空氣中自然對(duì)流擴(kuò)散，可將PMMA開(kāi)始分解到起始火焰前的這段時(shí)間定義為分解擴(kuò)散時(shí)間?？芍?，PMMA的點(diǎn)火延遲時(shí)間由惰性加熱時(shí)間、分解擴(kuò)散時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間3部分組成。由實(shí)驗(yàn)高速錄像發(fā)現(xiàn)，起始火焰出現(xiàn)在橢球狀 MMA氣團(tuán)頂面，出現(xiàn)時(shí)間在1幀(4.2 ms)以內(nèi)，說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)時(shí)間較短可忽略，點(diǎn)火延遲時(shí)間主要由惰性加熱時(shí)間和分解擴(kuò)散時(shí)間組成，而固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火過(guò)程中與此相近似。因此，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的點(diǎn)火延遲時(shí)間與點(diǎn)火熱流密度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可在確定沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)能量及作用時(shí)間等設(shè)計(jì)參數(shù)方面提供計(jì)算模型。

目前，國(guó)內(nèi)外未有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)式來(lái)表示推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間與加載熱流密度之間的關(guān)系。本文分別參考文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［9］，并依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法來(lái)擬合PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間計(jì)算數(shù)學(xué)公式，擬合結(jié)果如表2所示。表2中，tig為點(diǎn)火延遲時(shí)間，ms;a、n、A和B為常數(shù);q為激光熱流密度，W/cm2。

表2 點(diǎn)火延遲時(shí)間計(jì)算數(shù)學(xué)公式擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of ignition delay time mathematical formula

本文采用擬合精度更高的第2個(gè)數(shù)學(xué)式來(lái)計(jì)算點(diǎn)火延遲時(shí)間與點(diǎn)火熱流密度的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖5所示。為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的合理性與可靠性，補(bǔ)做2組共10次實(shí)驗(yàn)，其點(diǎn)火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)平均值與經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算值對(duì)比如表3所示。

由表3可見(jiàn)，擬合得的經(jīng)驗(yàn)式具有一定的可靠性，且此數(shù)學(xué)式適用于點(diǎn)火熱流密度范圍為70～881 W/cm2的PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間計(jì)算。

表3 點(diǎn)火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)平均值與計(jì)算值對(duì)比Table 3 Comparison between the experimental average values and calculation values of the ignition delay time

4 結(jié)論

(1)PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間主要由惰性加熱時(shí)間和分解擴(kuò)散時(shí)間組成，而點(diǎn)火熱流密度在整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中都起著主導(dǎo)作用。

(2)點(diǎn)火延遲時(shí)間隨點(diǎn)火熱流密度增大而減小，且存在最低點(diǎn)火能量閾值。當(dāng)熱流密度較大時(shí)，熱流密度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響變小。

(3)在70～881 W/cm2的點(diǎn)火熱流密度范圍內(nèi)，可采用本文所擬合的經(jīng)驗(yàn)式來(lái)計(jì)算PMMA的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

(4)對(duì)于采用PMMA的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證得到可靠滿意的點(diǎn)火性能，在點(diǎn)火熱流較高的基礎(chǔ)上，應(yīng)加長(zhǎng)其持續(xù)作用時(shí)間，以完成點(diǎn)火到高壓穩(wěn)定燃燒的過(guò)渡。

［1］Amnon Netzer，Alon Gany.Burning and flameholding characteristics of a miniature solid fuel Ramjet combustor［R］.AIAA 88-3044.

［2］Zvuloni Roni，Gany Alon，Levy Yeshavahou.Geometric effects on the combustion solid fuel ramjets［J］.Journal of Propulsion and Power，1989，5(1):32-37.

［3］Angus William J.An investigation into the performance chracteristics of a solid fuel scramjet propulsion device［R］.ADA 246486，1991.

［4］Tahsini A M.Piloted ignition of solid fuels in turbulent back-step flows［J］.Aerospace Science and Technology，2011.

［5］夏強(qiáng)，武曉松，陳志剛，等.PMMA在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒特性的數(shù)值模擬［J］.固體火箭技術(shù)，2011，34(1):43-47.

［6］Ulas A，Kuo K K.Laser-induced ignition of solid propellants for gas generators［J］.Fuel，2008，87(6):639-646.

［7］徐浩星，王桂蘭，賈淑霞，等.丁羥推進(jìn)劑激光點(diǎn)火延遲時(shí)間研究［J］.固體火箭技術(shù)，2000，23(1):40-43.

［8］Straus，Sidney，Madorsky，et al.Pyroysis of some polyvinyl polymers at temperature up to 1 200℃［J］.Journal of Research of the National Bureau of Standards，Section A，Physics and Chemistry，1962，66(5):401-406.

［9］翁春生，翁金輝.激光點(diǎn)火過(guò)程的簡(jiǎn)化解析解［J］.莆田學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，12(2):49-52.

Study on laser ignition characteristics of PMMA

ZHU Guo-qiang，JU Yu-tao，ZHOU Chang-sheng，CHENG Hong-gang
(School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China)

The ignition process of PMMA under normal pressure and the effect of ignition heat flux density on the ignition delay time of PMMA were examined in detail by use of a CO2laser ignition system.The results show that the ignition delay time of PMMA was decreased with the increase of ignition heat flux density.The effect of ignition heat flux density on ignition delay time decreases when the ignition heat flux density is more than 286 W/cm2.The ignition delay time increases dramatically with the decrease of ignition heat flux density when the ignition heat flux density is lower.There exists minimum energy threshold to ignite PMMA.The mathematical relationship between the ignition delay time of PMMA and the ignition heat flux density in the range of 70～881W/cm2was given.

PMMA ignition;laser ignition;ignition delay;ignition heat flux density

V435

A

1006-2793(2012)02-0188-05

2011-09-28;

2011-12-05。

“十二五”預(yù)先研究項(xiàng)目(404040301)。

朱國(guó)強(qiáng)(1983—)，男，博士生，研究固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。E-mail:juyutao@mail.njust.edu.cn

(編輯:崔賢彬)