铝颗粒群点火与燃烧特性研究

唐 勇，董 维，邹祥瑞，石保禄，王宁飞

（北京理工大学宇航学院，北京，100081）

0 引 言

固体火箭发动机具有结构简单、推力密度大、技术成熟度高、便于贮存维护等诸多优点，是目前应用最广泛的火箭推进系统之一[1,2]。美国、俄罗斯和法国等在役的绝大部分战略导弹均采用固体主动力，例如民兵Ⅲ、布拉瓦Ⅲ、三叉戟-D5和白杨-M[3]。此外，大量运载火箭助推器或主动力采用大型固体发动机，例如欧洲的阿里安6号和中国的长征十一号运载火箭[4,5]。为了提高固体火箭发动机的比冲，通常在固体推进剂中加入金属粉末来提高能量水平[6,7]，添加质量分数10～20%的铝粉可以产生30%以上的热量，铝粉燃烧过程及其产物对固体发动机具有较为复杂的影响[8,9]。

另一方面，以金属铝粉颗粒直接作为燃料的新型粉末火箭发动机，具有结构相对简单、推力可调、多次启动和环境温度适用性广等优势，可用于超声速导弹、空间推进和水下推进等领域[10,11]。此外，随着中国“双碳目标”的提出，铁、铝等含能金属颗粒由于燃烧不产生碳排放，以及便于存储运输，在地面燃烧设备中也具有可观的前景和优势[12]。

研究铝颗粒点火燃烧的实验系统主要包括单颗粒激光点火系统和单分散气溶胶平焰燃烧系统，[13～16]。铝颗粒燃烧特性参数包括点火温度、点火延迟时间、燃烧时间、颗粒表面温度、气相火焰与凝相产物的几何结构等重要信息[17]。在单颗粒研究基础上，McGill大学团队围绕铝粉颗粒群燃烧开展了大量工作，测量了铝粉与氧化性气体混合物的火焰传播速度[18]。

然而，关于铝粉颗粒群燃烧及粒子间相互作用的定量实验数据还比较少，特别是针对铝粉颗粒群的燃烧诊断不够充分，相关物理模型也尚未完善[19]。因此，设计了振荡给粉器以脉冲形式产生颗粒群，在甲烷平面扩散火焰形成的可控高温氧化性氛围中进行铝颗粒群点火和燃烧测试，并建立光学诊断技术对铝颗粒群燃烧过程进行表征分析。

1 试验方法

1.1 燃烧系统

如图1所示，多元扩散平焰燃烧器是使用气相火焰形成高温环境的一种燃烧器，主体结构分为上下两个部分，分别供应燃料气和氧化气至燃烧器表面，每根毛细管出口附近会形成一个微小的甲烷扩散火焰，而几百个小火苗组成了近似平面的扩散火焰阵列，在焰后区形成了温度较为均匀、气相组分可控的高温区。多元扩散平焰燃烧器的最大优势是通过配气来模拟真实燃烧装置内的高温气相环境和组分氛围，通过中心供给气溶胶进行颗粒点火和燃烧特性测试，并具备良好的光学可视化条件。相比于McKenna平焰预混燃烧器，多元扩散燃烧器不具备回火风险，拥有更宽的温度和组分调节能力。清华大学在过去的近十年内，利用平焰扩散燃烧器进行了大量煤粉和铝粉非均相燃烧、纳米功能材料火焰合成的研究，充分运用了该燃烧器的工况调节范围和光学诊断条件，并且于近些年进行了推广[15,16,20,21]。

图1 试统和铝粒群燃烧 Fig.1 Schematic of Experimental Setupand Image of Burning Aluminum Suspensions

使用蜂窝直径Φ75 mm的平焰燃烧器，采用稀释甲烷作为燃料气，通过毛细管引入金属蜂窝表面；使用稀释氧气作为氧化气，实际操作中，氧化气是空气和氧气的混合物，直接通过金属蜂窝中的小孔到达燃烧器表面，金属蜂窝是镍铬合金制成的孔径1.6 mm左右的直孔结构。设计了火焰温度分别为1500 k、1800 k、200 k、2200 k、2400 K的5个工况参数点，前四个工况的氧气浓度为20%；第5个工况为了达到2400 K的高温，氧气度提高到30%。试程中采用射流撞击式气溶胶发生器进行供粉，中心给粉气流约为0.8 L/min，携带铝粉气溶胶从中心管进入燃烧器上方的高温区。安放在合适位置的振荡器使得给粉呈现为脉冲形式，通过高速相机观测给粉动态特性和脉冲周期。

1.2 光学诊断系统

如图1所示，采用的光学诊断系统包括高速显微摄影、发射光谱测量和比色法测温等模块。

1.2.1 高速显微摄像

高速显微摄像系统包含一台高速相机（Phantom VEO 410E）和一个全画幅微距镜头（LAOWA CA-Dreamer Macro 2X），系统可以达到约20 µm的空间分辨率，高速相机在600×800像素分辨率下帧率可达到10 000 fps，曝光时间可低至10 µs。这套系统能够在线观测铝颗粒（群）燃烧过程的微观结构。

1.2.2 发射光谱测量

实验中采用了海洋光学（Ocean Optics）生产的便携式光纤光谱仪（HR4000CG-UV-NIR），光路系统如图1布置，光纤探头连接了安装在固定座上的准直器。光谱仪的记录间隔约0.25 nm，实际分辨率约0.4 nm左右，在200～1100 nm波长范围可以快速采集宽光谱数据，采集频率接近100 Hz。使用海洋光学的标准光源对整套系统进行了波长和相对响应强度的校准，并通过卤钨灯光源验证波长的偏移量不超过0.1 nm，使用标准黑体炉对可见光和红外部分的相对响应强度进行二次校验。使用光谱系统可采集高温铝颗粒的辐射信号以及AlO等气相物质的特征峰信号。进而，基于普朗克黑体辐射定律可以获取固体的表面温度信息：

式中I为光强度；λ为波长；pT为待测的颗粒表面温度；h为普朗克常数（6.626×10-34J/s）；c为光速；ε为表面发射率；k为玻尔兹曼常数（1.381×10-23J/K）。普朗克定律在高温条件下简化为维恩方程，在对数形式下可以进行线性拟合，从斜率中可以提取温度信息，具体操作方法在前期工作中进行了描述[17]。此外，在获得最小拟合误差的过程中，可以确定颗粒表面发射率ε(λ,Tp)与波长的关系。

1.2.3 比色法测温

比色法测温技术同样是依据普朗克定律，通常可以利用两个特定波长的辐射强度比值进行推导，这种方法已经成熟应用于铝颗粒燃烧表面温度的测量[17]。然而文献中采用的双高温计方法相对成本较高，光路和控制系统比较复杂。相比之下，耶鲁大学和清华大学等发展的基于单台彩色数码相机的比色法具有便捷性和经济性，具体流程在文献中有详细介绍[20,22,23]，这里仅就原理进行简要描述。通常数码相机采用RGB 3个通道记录色彩信息，而每个通道记录的信号可视作一定波长范围内透过其滤光片信号的积分：

式中Si为i通道采集的信号强度；τ为曝光时间；λ1、λ2分别为积分下限和上限波长，通常在可见光范围为400 nm和700 nm，实际计算过程中采用离散积分的方法。η i(λ)为i通道滤光片对不同波长光线的透过率。进而，通过不同通道的信号强度积分比值来推导温度的信息：

在已知发射率ε(λ,Tp)和透射效率η i(λ)与波长λ的关系后，可以认为上述比值是待测对象表面温度Tp的单值函数。表面发射率ε(λ,Tp)与波长的关系可通过拟合发射光谱确定。相对响应强度系数η i(λ)是设备属性，不同相机和通道均可能存在差异，因此对每一台设备均需要单独标定。此外，验证了相机各通道达到饱和前，通过“raw”格式记录的信号强度与入射光强度呈线性关系。耶鲁大学在公开网站上也提供了从“raw”格式文件提取各像素点RGB通道原始数据的开源软件工具OMA和相关方法[24]。基于相机标定数据，以及实测的发射系数随温度变化规律，可以根据公式（3）计算不同温度下的辐射强度积分比值的理论结果，建立对照曲线或表格。在得到被测对象的比色数据后，查找曲线或表格并进行线性插值，可以得到温度信息。

分析以广佛两市2015年11月以来1万的出租车GPS数据和计价器数据为基础，限于篇幅，本次仅结合需求和用地等规划广佛两市出租车返程点. 通过分析，目前出租车行程起讫点呈现出3个特点：①出行需求集中在两市毗邻地区，并且广州市境内出行需求总量高于佛山市；②局部出行需求呈点状(如广州南站)、带状分布(广佛路、花地大道、龙溪大道)分布；③除毗邻区域外，广佛两市出租车需求集中在客运枢纽和地铁站，如白云国际机场、广州南站、广州站、广州东站、芳村客运站以及浔峰岗地铁站、黄沙地铁站、西朗地铁站等.

1.3 铝颗粒粒径及形貌

图2展示了扫描电子显微镜（SEM）拍摄的实验中所使用平均粒径约为45 µm铝颗粒微观形貌。由于制造工艺的原因，一些未燃铝颗粒呈现为椭球状，铝颗粒表面通常覆盖一层致密氧化铝薄膜。图2是在距离燃烧器表面高度约30 mm处，使用热泳探针采集到的已燃颗粒，可观测到大量尺寸明显小于原始粒径的微小粒子，其尺寸甚至在纳米尺度。

图2 颗粒形貌 Fig.2 Particle Morphology

2 结果与讨论

2.1 铝颗粒群分布特征

图3展示了工况1（T0=1500 K）条件下，高速显微摄影拍摄到的连续4帧铝颗粒图像，相邻图像间隔和曝光时间均大约为1 ms，估计颗粒运动速度约2 m/s。此时颗粒没有发生剧烈燃烧，而是经历快速氧化过程，辐射出亮黄色的光。可以明显分辨出颗粒给粉在空间上不均匀，呈现为脉冲给粉现象。如图3中虚线所圈出，存在一个颗粒密度较高的球形区域，在直径约2 mm的球形空间内存在近50个粒子。因此，可以估算球形区域的局部粒子数密度约1000个/cm3，质量密度接近1 kg/m3。需要说明的是，这种脉冲式给粉周期、局部高密度区域尺寸、粒子浓度等均存在一定波动。

图3 工况1（T0=1500 K）铝颗粒群高速摄影（1000 fps） Fig.3 High-speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 1（T0=1500 K）

2.2 铝颗粒群燃烧火焰结构

在脉冲式给粉条件下测试了其他工况的点火情形，结果表明在工况2、3、4，即1800 K、2000 K、2200 K的温度下，铝颗粒群均能够实现剧烈燃烧，可以直接观测到图1中内嵌图片（T0=2000 K）所示的铝颗粒群燃烧火焰形貌，中心局部区域发出明亮的白光。这也说明相比于单分散颗粒，这种几十微米的铝颗粒在高粒子浓度状态，可以在不超过1800 K的环境温度下点燃。事实上，当进一步提高给粉浓度时，在1500 K的环境温度下偶尔也能实现剧烈燃烧。

图4展示了高速显微摄像拍摄到的铝颗粒群在工况2（T0=1800 K）条件下的燃烧状况。图4显示在距离燃烧器表面约20 mm高度的位置，颗粒开始发生着火。实际观测到的点火位置具有一定随机性，可能上下浮动几毫米。着火发生之后，发光区域逐渐增大，形成了直径略大于2 mm的近似球形火焰区域，对应于图3中观测到的粒子密度较高的区域，火球的运动速度和周期亦与工况1（图3）较为一致。在剧烈燃烧状态下，由于粒子密度较高，中心氧化性组分浓度降低，推测铝蒸气迁移到颗粒区域边界，与环境中氧化性组分燃烧，在边界处出现了亮度明显增加的球形火焰锋面。球形火焰面集中在前锋位置，在火球后方不明显，且由于前方高温区可能对传热和流场造成了影响，球形火焰后方更倾向为分散燃烧。

图4 工况2（T0=1800 K）铝颗粒群高速摄影（1000 fps） Fig.4 High-Speed Photography（1000 fps）of Aluminum Suspension at Case 2（T0=1800 K）

球形火焰的燃烧现象在工况2～4，即1800-2200 K条件下具有相似性，但在位置上可能波动。图5展示了工况4（T0=2200 K）观测到的铝颗粒群燃烧图像，着火之后球形火焰面逐渐扩大和纵向拉伸，火焰前锋的亮度在最后一帧图像中降低，能够观测到内部密集分散的粒子。大尺寸气相火焰面形成的燃烧产物将直接在火焰锋面处发生凝结均相成核，而非单颗粒燃烧状态形成尺寸接近初始粒径的氧化帽结构，导致燃烧凝相产物尺寸变小，这便解释了图2中收集到的大量小尺寸燃烧产物粒子。

图5 工况4（T0=2200 K）铝颗粒群高速摄影（1000 fps） Fig.5 High-Speed Photography（1000 fps）of Alsuspension at Case 4（T0=2200 K）

2.3 铝颗粒群燃烧过程温度测量

图6展示了光谱仪测量得到的铝颗粒群在工况3（T0=2200 K）条件下，高度约30 mm位置处的发射光谱原始曲线、校正曲线和拟合曲线。在工况2～4条件下，测量得到的铝颗粒群燃烧发射光谱比较相似，均在480 nm附近出现了AlO的特征信号，且拟合温度约2800 K。由于金属燃烧器在高温条件下产生了一定量的Na和K特征峰信号，在曲线拟合过程中采取分段的方式规避杂峰干扰，但绘制了550 nm到800 nm范围的完整曲线。拟合得到的温度（～2800 K）超过了氧化铝的熔点（～2320 K）和铝的沸点（～2700 K），结合AlO特征信号，与高速相机观测到的铝蒸气形成气相球形火焰现象相吻合。

图6 工况3（T0=2000 K）铝颗粒群发射光谱 Fig.6 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case 3（T0=2000 K）

图7 工况3（T0=2000 K）铝颗粒群温度云图 Fig.7 Temperature Contour of AluminumSuspensionat Case 3（T0=2000 K）

最后，测试了2400 K和30%氧浓度条件下的铝颗粒群燃烧。图8中内嵌的图片显示此时的气相火焰锋面尺寸远小于图4和图5所示的球形火焰，而是由更少数粒子形成的局部包络面，单分散燃烧特征变得显著。发射光谱出现了更强烈的AlO特征信号，拟合得到的温度约2955 K，表明更高温度和氧浓度条件下发生了更剧烈的燃烧过程。

图8 工况5（T0=2400 K）铝颗粒群发射光谱 Fig.8 Emission Spectrum of Aluminum Suspension at Case （T0=2400 K）

3 结 论

本文发展了可控温度和组分的平焰燃烧器以及振荡给粉器，结合先进光学诊断技术，研究了脉冲式给粉铝颗粒群在宽温度范围的点火和燃烧过程，得到结论如下：

a）微米级铝颗粒群局部粒子浓度达到1000个/cm3，点火环境温度不超过1800 K，低于单分散颗粒点火温度（～2200 K）。

b）高速显微摄像技术在1800～2200 K环境温度条件下观测到铝颗粒群燃烧形成的球形气相火焰结构，其尺寸超过2 mm，远大于初始粒径（～45 μm），表明铝颗粒群在高温氧化性气氛下形成了新的燃烧模式。

c）发射光谱探测到AlO特征峰，拟合温度超过2800 K，比色法测量温度超过3000 K，均高于铝沸点和氧化铝熔点。

4 致 谢

感谢基础研究项目群、国家自然科学基金和航天动力先进技术湖北省重点实验室开放基金。