煤油凝胶单液滴燃烧特性试验

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252016V01．37No．3847—853ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．crl煤油凝胶单液滴燃烧特性试验杨大力，夏智勋*，胡建新，肖云雷国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙410073摘要：利用二氧化碳激光器点火装置及高分辨率高速成像系统，开展了煤油凝胶单液滴在空气中的点火燃烧试验，观察了凝胶液滴在燃烧过程中的形态变化，为进行凝

2、胶冲压发动机的总体设计提供依据。试验结果表明，煤油凝胶液滴的燃烧经历了煤油的蒸发燃烧、气泡产生、胶凝层形成、胶凝层破裂、微爆等物理化学过程，基本满足D2定律。分析了胶凝剂含量、硼含量对含硼煤油凝胶燃烧过程的影响。当硼含量一定时，随着胶凝剂含量的增加，含硼凝胶的稳定燃烧相对时间增加，但微爆过程更加剧烈；当胶凝剂含量一定时，随着硼含量的增加，含硼凝胶液滴的稳定燃烧相对时间缩短，微爆现象更加剧烈。关键词：煤油凝胶；单液滴；纳米硼颗粒；燃烧；微爆中图分类号：V312+．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)03—

3、0847—07凝胶推进剂是在液体推进剂(如酒精、煤油、烷烃等)中加入胶凝剂，加热搅拌均匀后形成的胶状物质。凝胶在静止状态下保持稳定的半固体状态，加热后又可恢复液体的流动性n‘2]。基于凝胶的这种物理性质，凝胶推进剂可以结合固体推进剂安全、易贮存运输和液体推进剂燃速可控等多方面优点，逐渐引起了人们的关注。为了获得更多能量，可通过向凝胶推进剂中添加高能量密度的金属颗粒(如Al、B等)，形成金属基凝胶推进剂。通过进行凝胶单液滴的蒸发燃烧试验，可以总结凝胶推进剂的一般蒸发燃烧规律，为凝胶发动机的总体结构设计提供依据[3‘5]。目前

4、，国外学者对凝胶单液滴的燃烧试验进行了研究。Natan等[6。71选择煤油为主要成分的凝胶推进剂，进行了单液滴的燃烧试验，观察得到了液滴燃烧过程中出现的气泡产生、微爆等特殊现象，总结了凝胶燃烧的一般规律。将液滴的燃烧过程归纳为4个阶段：①煤油的传统蒸发燃烧过程；②胶凝层形成，液滴内部气泡产生；③气泡的不断破裂与再形成；④微爆现象出现。Gan和Qiao[8。1妇选择低闪点单质燃料癸烷为液体推进剂，进行了含硼癸烷凝胶单液滴的燃烧试验研究，观察到了硼颗粒在癸烷凝胶中的燃烧现象，首次实现了金属颗粒在凝胶液滴中的燃烧。国内学者对凝胶

5、推进剂、特别是金属基凝胶推进剂的单液滴燃烧试验研究还处于起步阶段。刘泽军[12。131等对含铝凝胶单液滴的燃烧试验进行了初步研究，分析了液滴初始半径对微爆现象的影响。而目前国内关于含硼煤油凝胶单液滴的点火燃烧机理试验尚未发现。本文选择高闪点多组分的航空煤油为液体燃料，制备成煤油凝胶，在此基础上添加纳米硼颗粒形成含硼煤油凝胶，利用二氧化碳激光器点火装置及高分辨率高速成像系统，进行了凝胶单液滴收稿日期：2015-03—31；退修日期：2015-05—03；录用日期：2015—05—12；网络出版时间：2015—05．2509：

6、52网络出版地址：WWWcnki。net／kcms／detail／11．1929．V20150525．0952001．htm*通讯作者．Tel．：0731·84576450E—mail：zxxia@nudt．edu．cn弓

7、雨格武t杨大力，夏智动，葫建新。等．煤诂凝胶单液漓燃烧特栏试验!如。航空学报．2016。37(3)：847-853．YANGDL，XIAZX。HUJX．eta1．Experimentalstudyonignitionandcombustioncharacteristicofsinglekeroseneg

8、eldroplet￡Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(3)：847-853．848航空学报Mar252016VoI．37No．3在空气中的点火燃烧试验，直接观察到了煤油凝胶燃烧过程中的特殊现象，通过对图像的处理，得到凝胶液滴的相对半径变化过程，总结了煤油凝胶燃烧的一般规律。在此基础上，进行了含硼煤油凝胶的单滴试验，分析了胶凝剂含量、硼含量对含硼煤油凝胶燃烧过程的影响规律。1试验研究1．1试验系统试验系统主要包括二氧化碳激光器点火系统、凝胶单滴悬挂装置和高速摄影系统

9、。图1为试验系统的结构示意图。一-t．一1r一一一1黜rSifgnra二LaserCOn≥IFOL一一麓墨j1譬回”’町一^、<≯Highspeedcamera图1试验系统示意图Fig．1Schematicdiagramoftestsystem本文采用的COz激光器点火系统，包括CO。激光器、信号发生器