铝粉点火延时及燃烧时间的激波管实验与动力学模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 熊壮
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| 答辩日期 | 2018-11-27 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 其他责任者 | 中国科学院力学研究所 |
| 导师 | 俞鸿儒 ; 王苏 |
| 关键词 | 铝粉，点火延时，燃烧时间，激波管，动力学模拟 |
| 学位专业 | 流体力学 |
| 其他题名 | Shock Tube Experiments and Kinetic Simulation of Ignition Delay and Burn Time of Aluminum Powders |
| 英文摘要 | 铝粉因其高燃烧值的特点而被广泛用作高能推进剂的金属添加剂。为了深入理解高能推进剂的燃烧机理，铝粉点火和燃烧特性是重要的研究内容之一。在碳氢燃料中添加金属粉末等含能材料以提高燃料热值达到增大发动机推力的途径也受到关注。铝粉还可以在碳氢燃料燃烧产物H2O和CO2进行二次燃烧释放大量热量，铝粉与碳氢燃料燃烧产物H2O和CO2二次燃烧生成更稳定的Al2O3对碳氢燃料燃烧产物离解还起到了催化复合的作用。 在碳氢燃料中添加铝粉后，混合燃料的点火和燃烧性质与铝粉粒径大小、环境温度和压力都密切相关。目前纳米铝粉已得到广泛应用。随着铝粉粒径从微米减小到纳米，铝粉燃烧过程将从扩散控制过渡到反应动力学控制。因此，研究不同粒径铝粉的点火和燃烧特性，对发动机燃烧室中燃烧机理的建立和燃烧室设计及优化具有重要意义，也为建立及验证铝粉点火及燃烧化学动力学机理提供重要的基础数据，同时也为探索通过在碳氢燃料中添加铝粉实现二次燃烧以提高吸气式冲压发动机效率的途径提供基础。 本文以不同粒径尺度的铝粉在多种氧化剂条件下（O2、H2O、CO2）的点火延时和燃烧时间以及铝粉与碳氢燃料点火的相互影响为研究内容，通过激波管实验获得了铝粉点火延时和燃烧时间与环境温度、压力、氧化剂种类和浓度、颗粒粒径的关系。本文特别关注铝粉燃烧机理从扩散控制到反应动力学控制转变时，铝粉点火延时和燃烧时间与各种影响因素的依赖关系。同时，本文还将不同粒径的铝粉分别加入到H2和C2H4两种典型的燃料中，通过激波管实验考察了铝粉与H2和C2H4之间的相互作用。在激波管实验的基础上，本文利用现有的铝粉化学反应动力学机理对铝粉燃烧时间进行了动力学模拟。本文获得的主要结果如下： 1）温度在2320-2470 K之间、压力8atm时，6种粒径（50 nm、200 nm、1μm、10 μm、20 μm、50 μm）铝粉的点火延时和燃烧时间随着粒径的变化关系： τ_ign=236.2D^(0.45 ) (μs) τ_burn=1096.6D^0.23 (μs) D是铝粉粒径，单位μm。 2）在温度1400-3300 K、压力2 -13 atm和氧化剂浓度20%-80%的条件下，200 nm铝粉分别在三种氧化剂（O2、H2O、CO2）中的点火延时和燃烧时间与温度、压力和氧化剂浓度的拟合关系； τ_ign=10.6[〖X_(O_2 )]〗^(-0.93) P^(-0.95) exp(26710/RT) τ_ign=16.7[〖X_(〖CO〗_2 )]〗^(-0.6) P^(-0.7) exp(32158/RT) τ_ign=94.1[〖X_(H_2 O)]〗^(-0.99) P^(-0.41) exp(56528/RT) τ_burn=12.3[〖X_(O_2 )]〗^(-0.43) P^(-0.54) exp(21550/RT) τ_burn=42.8[〖X_(〖CO〗_2 )]〗^(-0.71) P^(-0.44) exp(36981/RT) τ_burn=73.1[〖X_(H_2 O)]〗^(-0.69) P^(-0.28) exp(39666/RT) τign、τburn分别为铝粉的点火延时和燃烧时间，单位均为μs； XO2、XCO2、XH2O分别为三种氧化剂的初始摩尔分数，T为环境温度，单位是K；P为环境压力，单位为MPa。 3）在温度2100-3000 K、压力2-13 atm和氧化剂浓度20%-80%的条件下，10 μm铝粉的点火延时和燃烧时间与温度、压力和氧化剂浓度的拟合关系； τ_ign=789.5/(P^0.32 T^0.31 (X_(O_2 )+0.64X_H2O+0.51X_CO2 ) ) τ_burn=1572.3/(P^0.34 T^0.29 (X_(O_2 )+0.67X_H2O+0.47X_CO2 ) ) τign、τburn分别为铝粉的点火延时和燃烧时间，单位均为μs； XO2、XCO2、XH2O分别为三种氧化剂的初始摩尔分数，T为环境温度，单位是K；P为环境压力，单位为MPa，R为气体常数，单位J•mol-1•K-1； 4）200 nm铝粉在O2、CO2、H2O三种氧化剂中的点火和燃烧过程均处在动力学控制阶段，其点火延时和燃烧时间随着温度、压力和氧化剂浓度的改变有明显的变化； 10 μm铝粉在O2中的点火和燃烧过程仍处于动力学控制，10 μm铝粉在CO2和H2O中的点火和燃烧过程逐渐转为扩散控制的过渡阶段； 5）纳米铝粉燃烧时间的动力学模拟结果与实验结果在随温度和氧化剂浓度的变化趋势上基本吻合，两者在数值上存在差异； 6）在温度1276 K、压力1.3 atm的条件下，1 μm铝粉能够在当量比为1、稀释度为70%的氢气中发生点火；在温度1277 K、压力1.2 atm的条件下，10 μm铝粉能够在当量比为1、稀释度为88%的乙烯中发生点火；随着铝粉粒径的减小可以在更高的稀释度条件下点火；在本文的实验条件范围内，铝粉在H2或C2H4环境中发生点火时，几乎与H2或C2H4同时发生点火，没有观察到铝粉滞后H2或C2H4点火的情况；同时观测到铝粉的加入促进了氢气和乙烯的点火，缩短了点火延时。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/78046]  |
| 专题 | 力学研究所_高温气体动力学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 熊壮. 铝粉点火延时及燃烧时间的激波管实验与动力学模拟[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：力学研究所
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