周 帥，敖 文，高 毅，劉佩進，呂 翔

(西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072)

0 引言

碳氫燃料作為最常見的航空航天發(fā)動機燃料被廣泛使用。碳氫燃料具有能量密度高、安全性好、使用方便、成本低等優(yōu)勢。為了提高飛行器性能，需要密度和體積燃燒熱值更高的液體燃料。傳統(tǒng)的人工合成方式已無法滿足要求[1]。作為常用的高能燃料，納米鋁粉具有體積熱值高、耗氧量低、反應(yīng)活性強[2]、提高推進劑燃速[3]等優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的碳氫燃料中添加高能金屬顆粒，使之形成穩(wěn)定懸浮液，是液體燃料高能化的重要手段[4-5]。雖然添加金屬顆粒后燃料流動性和分散穩(wěn)定性變差，容易導致供給管路和噴嘴內(nèi)沉積、堵塞和腐蝕等問題[6]，但其具有能量密度高、點火延遲短、傳熱傳質(zhì)快等特點，可顯著提升燃料的點火燃燒性能和能量特性。通過進行含納米鋁液體燃料的單液滴點火燃燒試驗，可以得到含納米鋁液體燃料的燃燒規(guī)律，為其應(yīng)用提供理論依據(jù)，具有重要的學術(shù)意義和工程價值。

目前，國內(nèi)外學者對含金屬液體燃料的燃燒試驗進行了較為廣泛的研究。在液體燃料中添加納米顆粒，可提高燃料液滴對周圍輻射的吸收率，從而增強液滴蒸發(fā)燃燒速率。GAN等[7]通過不同功率的汞燈對鋁含量0.1%、0.5%、5%的納米流體燃料液滴進行輻射試驗，發(fā)現(xiàn)在所有輻射水平下，納米流體燃料都能顯著提高液滴蒸發(fā)速率；但含有高濃度納米鋁時，納米鋁的聚集增加會抑制燃料擴散并抑制蒸發(fā)，使得增強效果減弱。TANVIR等[8-9]通過液滴發(fā)生器生成液滴流，研究了鋁和石墨納米顆粒對乙醇液滴燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒確實增強了液滴輻射吸收能力，對提高液滴燃燒有一定作用，同時顆粒濃度越高，燃燒速率越高；納米顆粒在液體燃料中容易發(fā)生碰撞與團聚，為了提高顆粒的分散穩(wěn)定性，減少顆粒沉降，需要在燃料中添加表面活性劑。OLSON等[10]在JP-10煤油中添加非離子表面活性劑，獲得了固含量50%以上的具有較好顆粒懸浮穩(wěn)定性的含鋁液體燃料。陳冰虹[11]在含顆粒的JP-10煤油中加入油酸和吐溫-85，發(fā)現(xiàn)一周后燃料無分層現(xiàn)象，析油率為0%；添加油酸后燃料變?yōu)槎w系，其在燃燒過程中會出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。LAW[12]解釋了多組分燃料中微爆產(chǎn)生的原因，這是由組分揮發(fā)性與沸點不同導致的。楊大力等[13]在無水乙醇中加入2% 、5% 、10% 80～100 nm硼顆粒及膠凝劑，發(fā)現(xiàn)膠凝劑是導致凝膠推進劑燃燒出現(xiàn)微爆現(xiàn)象的原因，硼顆粒本身的不穩(wěn)定燃燒也會增大液滴微爆劇烈程度。HAN等[14]向庚烷中添加油酸后，燃料點火延遲時間和點火溫度隨油酸濃度增加而顯著提高；與純庚烷液滴相比，含2%油酸庚烷液滴的點火延遲時間和點火溫度其分別增加了60%和40%，且溫度和油酸濃度增加導致液滴微爆更劇烈、產(chǎn)生氣泡數(shù)量更多。GAN等[15-16]利用掛滴法對含10% 80 nm、5 μm與25 μm鋁顆粒的正癸烷和乙醇液滴進行燃燒試驗，提出含納米鋁液滴燃燒的五個階段，即預(yù)點火加熱階段、液滴穩(wěn)定燃燒階段、液滴破碎階段、表面活性劑燃燒階段和鋁液滴燃燒階段；通過對比含微米尺度和納米尺度顆粒液滴燃燒現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)具有微米尺度顆粒的液滴發(fā)生更強微爆行為。SUB等[17]對含1% 、3% 、5%鋁顆粒乙醇溶液進行試驗，結(jié)果表明，納米鋁使液滴燃燒速率常數(shù)最多增加13%，且顆粒濃度增加會使液滴燃燒動力學改變。LIU等[18-19]發(fā)現(xiàn)環(huán)境氧含量會影響含鋁顆粒的JP-10液滴燃燒特性及鋁團聚體形成過程，當氧含量大于10%時，鋁團聚體被成功點燃；當氧含量達到50%時，鋁團聚體發(fā)生爆燃，鋁顆粒迅速氧化，完全釋放熱量，形成致密的氧化鋁球。顆粒含量增加，液滴著火時間縮短，燃燒強度增加，但顆粒含量增加會引入顆粒團聚問題，降低了鋁顆粒氧化度。

含納米顆粒液體燃料燃燒的宏觀現(xiàn)象及納米顆粒和表面活性劑單獨對燃料特性的影響已有一定的認識。但現(xiàn)有研究對于含納米鋁液體燃料中各組分之間的相互作用機制及影響規(guī)律不夠明確，對含納米鋁液體燃料各組分相互作用進行探究有助于深入理解其燃燒特性。在大氣環(huán)境下，開展液滴燃燒實驗雖與燃料實際工作環(huán)境有所差異，但兩種環(huán)境下均為燃料與氧發(fā)生反應(yīng)，且液滴燃燒機制與各組分影響規(guī)律同樣對實際環(huán)境具有參考價值。

本文使用JP-10煤油作為基礎(chǔ)液體燃料，在此基礎(chǔ)上添加油酸和納米鋁粉，制成含納米顆粒液體燃料。通過高速攝影系統(tǒng)拍攝含納米鋁液體燃料單液滴燃燒過程。通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，得到四種單液滴燃燒的一般規(guī)律，以及油酸和納米鋁粉對含納米鋁液體燃料液滴燃燒的影響規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 樣品制備

使用JP-10航空煤油作為基液，購于湖北遠成集團遠成藥業(yè)有限公司，純度99%。JP-10煤油具有能量高、密度大、粘度小、冰點低等優(yōu)點，是一種性能優(yōu)良的高密度碳氫燃料。納米鋁粉由廣州宏武材料科技有限公司提供，純度99%，顆粒標稱粒徑為70 nm，密封保存于干燥箱內(nèi)。使用鋁粉時通過超聲分散方法破壞納米鋁粉分子間作用力，減少納米顆粒的團聚現(xiàn)象。油酸由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，純度為97%。制作燃料時，稱量好各組分質(zhì)量，全部混合后攪拌10 min。對于添加納米鋁粉的燃料，攪拌后放入超聲振蕩器中，振蕩0.5 h后，制得實驗用燃料。表1為四種燃料的物質(zhì)組成。

表1 四種燃料的物質(zhì)組成

1.2 試驗系統(tǒng)

單液滴點火燃燒試驗系統(tǒng)主要包括液滴固定與點火裝置和高速攝像系統(tǒng)。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

通過微量移液器生成粒徑(1±0.1) mm液滴，懸掛于夾角60°的兩束相互交叉的碳化硅細絲上，細絲束直徑小于100 μm。兩束細絲更有利于固定液滴位置。碳化硅熱導率低，液滴燃燒過程中熱損失可忽略。使用鎳鉻發(fā)熱絲對液滴進行加熱點火，利用電磁伸縮桿控制發(fā)熱絲靠近和遠離液滴。試驗時發(fā)熱絲靠近液滴，直至液滴正下方約2 mm位置，為液滴提供一個約500 ℃高溫環(huán)境，發(fā)熱絲不與液滴接觸。整個液滴燃燒期間發(fā)熱絲都處于液滴正下方位置，液滴燃盡后，再將發(fā)熱絲撤回到初始位置。高速攝影系統(tǒng)包括phantom M340高速相機、0.5倍遠心鏡頭、單頻強光燈和控制電腦各1個。高速相機采樣率設(shè)定為1400 fps，曝光時間200 μs。

試驗在開放環(huán)境下進行。試驗時先使用微量移液器生成微液滴懸于碳化硅細絲上。將發(fā)熱絲預(yù)先加熱1 min，待其溫度穩(wěn)定后，開啟電磁伸縮桿將發(fā)熱絲送至液滴正下方，點燃液滴。與此同時，高速相機開始拍攝液滴燃燒圖像，液滴燃燒完全后關(guān)閉各系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

通過高速相機拍攝液滴燃燒全過程，可對其燃燒特性有更加直觀的認識，同時可獲得其燃燒過程中液滴形態(tài)與火焰形貌變化、液滴粒徑變化以及液滴微爆現(xiàn)象等信息。對各時刻液滴圖像進行處理，獲得液滴縱向長度，近似作為液滴粒徑。圖2為純煤油、煤油/油酸、煤油/納米鋁粉及煤油/油酸/納米鋁粉四種燃料液滴燃燒過程中粒徑平方隨時間變化圖。

燃燒速率是表征液滴燃燒快慢的參數(shù)。燃料液滴燃燒速率越快，單位時間內(nèi)燃燒的燃料越多，放熱越多。可通過提高燃料液滴的燃燒速率，來提升其燃燒性能。根據(jù)理論推導，液滴粒徑平方隨時間變化率的絕對值即為液滴燃燒速率。通過對圖2中穩(wěn)定燃燒階段區(qū)域c內(nèi)數(shù)據(jù)進行線性擬合，獲得4組數(shù)據(jù)在此區(qū)域內(nèi)擬合曲線的斜率，即可求得液滴在該時間段內(nèi)燃燒速率KC。圖3為四種燃料穩(wěn)定燃燒階段的燃燒速率。

圖2 四種液滴燃燒過程的粒徑平方變化

圖3 四種液滴穩(wěn)定燃燒階段的燃燒速率

2.1 純煤油單液滴燃燒試驗

純JP-10煤油單液滴的燃燒過程如圖4所示。在發(fā)熱絲產(chǎn)生的高溫環(huán)境中，煤油液滴吸熱蒸發(fā)，形成圍繞液滴的蒸汽云。當蒸汽濃度達到著火條件后，液滴被點燃，此時液滴周圍出現(xiàn)明顯火焰。液滴開始加熱至液滴被點燃的過程稱為預(yù)熱點火階段，對應(yīng)圖中藍色實線部分，此過程時間較短，液滴粒徑只是略有減小。由圖2可知，煤油不斷蒸發(fā)燃燒，液滴粒徑平方隨時間線性變小，直至液滴消耗殆盡，粒徑變化基本滿足d2定律，該過程稱為穩(wěn)定燃燒階段，對應(yīng)圖中紅色圓點線部分。由圖3可知，純煤油液滴燃燒速率為0.676 mm2/s。通過火焰圖片亮度判斷火焰強度[20-21]，將火焰圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖后，灰度值越高，火焰亮度越高，則說明火焰強度越高。由圖5可知，液滴火焰強度分布為火焰內(nèi)部強度較低，而火焰外圍強度較高，同時在液滴整個燃燒過程中火焰變化平穩(wěn)，火焰強度分布基本不變。

圖4 純煤油單液滴燃燒過程

(a) Flame intensity picture (b) Gray scale value of picture

2.2 添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒試驗

圖6展示了只添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒過程。液滴先是從環(huán)境吸熱蒸發(fā)，預(yù)熱一段時間后液滴被點燃，此后被點燃的液滴穩(wěn)定蒸發(fā)燃燒，此過程燃燒特性與純煤油的預(yù)熱點火和穩(wěn)定燃燒階段相同。由于燃料中添加了鋁顆粒，在煤油燃燒過程中會有少量的納米鋁顆粒從液滴中噴出后被點燃，同時液滴燃燒過程后期存在特殊的團聚體反應(yīng)階段。當液滴中液相成分燃燒殆盡后，液滴中納米鋁粉會在碳化硅細絲上聚集形成鋁團聚體。煤油燃燒產(chǎn)生的熱量使團聚體溫度較高，氧氣擴散到團聚體表面后發(fā)生反應(yīng)，鋁團聚體點燃并發(fā)出強烈的白光，燃燒產(chǎn)物殘留在細絲上，對應(yīng)圖中綠色長虛線部分。由圖2可知，該液滴粒徑平方隨時間線性變小，滿足d2定律。其粒徑變化速度明顯快于純煤油液滴，這與圖3中此燃料液滴燃燒速率高于純煤油液滴相對應(yīng)。添加5%納米鋁粉后，煤油/納米鋁粉液滴燃燒速率較純煤油提高20%。同時，液滴總?cè)紵龝r間縮短。說明添加鋁顆?？商岣咭旱稳紵俾?，這是由于納米鋁顆?？商岣咭旱挝蛰椛錈岬哪芰?，使液滴單位時間內(nèi)吸收更多的熱量，蒸發(fā)燃燒速率變大。通過對比圖7中煤油燃燒時火焰強度與鋁團聚體反應(yīng)時火焰強度，可發(fā)現(xiàn)團聚體反應(yīng)階段火焰圖灰度值接近最高值255，明顯大于煤油燃燒火焰圖灰度值80，說明鋁團聚體反應(yīng)更加劇烈。同時，煤油燃燒過程中火焰強度分布基本穩(wěn)定，火焰外圍強度略強于火焰內(nèi)部強度。

圖6 添加納米鋁粉的煤油單液滴燃燒過程

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

2.3 添加油酸的煤油單液滴燃燒試驗

只添加油酸的煤油單液滴燃燒過程如圖8所示。此液滴燃燒過程同樣包括液滴預(yù)熱點火階段和穩(wěn)定燃燒階段，階段特性與前述相同。但液滴穩(wěn)定燃燒一段時間后出現(xiàn)一個獨特的燃燒階段，以液滴內(nèi)部開始產(chǎn)生小氣泡作為此階段開始的標志。煤油不斷蒸發(fā)，小氣泡不斷膨脹并聚集，當氣泡達到一定體積時，氣泡破裂，液滴體積急劇變小，液滴中氣泡演化過程如圖9所示。液滴內(nèi)多次重復(fù)氣泡生成、膨脹、破碎過程，直至液滴燃燒殆盡。該階段稱為液滴的微爆，對應(yīng)圖中橙色短虛線部分。微爆的產(chǎn)生主要是由油酸與煤油的沸點不同造成的。液滴燃燒時，煤油作為揮發(fā)性較高的組分首先汽化，使油酸在液滴表面的濃度變高，逐漸在液滴表面形成油酸薄層。當液滴內(nèi)部煤油繼續(xù)受熱蒸發(fā)，被表面油酸薄層阻擋，無法擴散出去，從而在液滴內(nèi)生成氣泡。當氣泡內(nèi)蒸汽變多，壓力變大，直至超過油酸薄層表面張力后，氣泡破碎，液滴縮小，一次微爆過程結(jié)束。圖2中，b時刻前，液滴粒徑平方基本隨時間線性變小，基本滿足d2定律，但在b時刻后，液滴粒徑平方產(chǎn)生劇烈的振蕩，不斷變大縮小，直至液滴燃燒殆盡。圖3中顯示此液滴燃燒速率略低于純煤油液滴，這是由于液滴表面油酸會抑制煤油的蒸發(fā)，使其穩(wěn)定燃燒階段燃燒速率降低。但與此同時，微爆階段液滴消耗反而變快，與純煤油相比，添加5%油酸的煤油/油酸液滴總?cè)紵龝r間縮短18%。圖10展示了液滴穩(wěn)定燃燒階段與產(chǎn)生微爆時液滴火焰強度分布，可看出微爆使液滴燃燒火焰強度分布不再穩(wěn)定，與穩(wěn)定燃燒階段不同，火焰形貌也受到了一定影響，火焰形狀局部或整體變的不再規(guī)則。

圖8 添加油酸的煤油單液滴燃燒過程

圖9 微爆階段氣泡演化過程

(a) Stable combustion stage (b) Micro explosion stage

2.4 添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒試驗

圖11為添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒過程。該液滴燃燒分為四個階段：預(yù)熱點火階段、穩(wěn)定

圖11 添加納米鋁粉和油酸的煤油單液滴燃燒過程

燃燒階段、微爆階段、團聚體反應(yīng)階段。四個階段燃燒特性與前述基本相同。圖2中，藍色虛線間距對應(yīng)只添加油酸的煤油液滴微爆階段粒徑最大落差值，綠色虛線間距對應(yīng)添加油酸和鋁顆粒的煤油液滴微爆階段粒徑最大落差值。綠色虛線間距大于藍色虛線間距，說明前者對應(yīng)液滴微爆時體積振蕩更加劇烈。這是由于添加鋁顆粒后，油酸與鋁顆粒在液滴表面形成油酸/鋁混合薄層，此薄層強度高于純油酸薄層，氣泡內(nèi)需要積累更高的壓力才能破壞此薄層，因此液滴微爆強度增大。微爆階段液滴變形嚴重，有較多小液滴飛濺出去。同時由于液滴微爆更加劇烈，更多鋁顆粒在此過程被帶出并燃燒掉，使得最后殘留在細絲上的鋁團聚物變小，液滴燃燒后期團聚體反應(yīng)強度相對于只添加鋁粉煤油液滴稍弱。圖2中，液滴粒徑平方在a時刻前線性變小，在a時刻后液滴粒徑產(chǎn)生劇烈振蕩。a時刻在b時刻之前，說明同時添加油酸和鋁顆粒的液滴產(chǎn)生微爆現(xiàn)象時間更早。圖3中此液滴燃燒速率略低于只添加鋁顆粒的液滴，但高于純煤油和只添加油酸的煤油液滴。同時，由于鋁顆粒增強液滴吸收輻射能力和微爆加快煤油消耗兩方面原因，液滴燃燒時間在四種燃料中最短。含5%納米鋁粉和5%油酸的液滴燃燒時間較純煤油縮短37%。對比圖12中各燃燒階段火焰強度，可得前述相似結(jié)論。與只添加油酸的煤油液滴相比，微爆階段液滴火焰形貌變化更加劇烈，火焰強度更高。與只添加鋁顆粒的煤油液滴相比，團聚物反應(yīng)階段火焰強度略低。

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

3 結(jié)論

向JP-10煤油中加入納米鋁粉和油酸制成高能液體燃料。通過掛滴法進行單液滴點火燃燒試驗，對比了純煤油、煤油/油酸、煤油/納米鋁粉及煤油/油酸/納米鋁粉四種液體燃料液滴的燃燒過程。

(1)添加鋁顆粒的煤油液滴在燃燒最后階段生成團聚體，團聚體反應(yīng)強度高于煤油燃燒強度。添加鋁顆粒后，液滴吸收輻射能力增強，添加5%納米鋁粉的煤油/納米鋁粉液滴燃燒速率相比純煤油提高20%，總?cè)紵龝r間縮短。

(2)添加油酸的煤油液滴燃燒時產(chǎn)生微爆現(xiàn)象，這是由液滴燃燒過程中表面逐漸富集并形成油酸薄層導致的。液滴表面油酸抑制煤油蒸發(fā)，使液滴穩(wěn)定燃燒階段燃燒速率變小，但微爆階段煤油被快速消耗，添加5%油酸的煤油/油酸液滴總?cè)紵龝r間相比純煤油縮短18%。

(3)同時加入油酸和納米鋁粉的煤油液滴燃燒分四個階段為預(yù)熱點火階段、穩(wěn)定燃燒階段、微爆階段和團聚體反應(yīng)階段，其余三種燃料都包含前兩個階段，且穩(wěn)定燃燒階段液滴粒徑平方變化規(guī)律均滿足d2定律。油酸與鋁顆粒形成的表面混合層強度高于油酸薄層，使液滴微爆強度更高，油酸與鋁顆粒共同作用使液滴燃燒時間最短，含5%納米鋁粉和5%油酸的液滴燃燒時間相比純煤油縮短37%。