高温环境下金属颗粒物的燃烧特性研究

Combustion characteristic of metal particles produced by micro-injection is very important for weapon or nuclear physics applications, and it is very different from conventional liquid fuel and coal since the physics characteristics, property of production, and reaction mechanism of metal combustion. By narrow-channel experimental method, the convection of combustion environment is reduced. Compare the results with those in conventional environments, the influence of convection on combustion is investigated. By temperature control method, experiments are carried out near the melting point to investigate the influence of melting progress on combustion through comparing the experiment results. By precise optical measurement technology, local flame shape and spectral characteristics of the combustion process are achieved to analyze microscopic features of the flame. By dual-particle experiments, interaction between particles is theoretically studied. Numerical simulation is carried out by Euler-Lagrange method with dense phase combustion model. With the work of this research, a combustion experimental platform of metal particles is established. Through the platform, foundational data of combustion of metal particles is obtained, the combustion modal and computational method is established. The ultimate goal of this work is to solve the basic combustion problems of micro-injection applications, and to strengthen foundation of combustion theory of metal particles.

武器/核物理应用中会产生金属颗粒物的微喷射现象，研究高温下金属颗粒物的燃烧特性非常重要。与常规液态燃料以及煤的燃烧相比，金属颗粒物在自身物理特性、产物特性、反应机理上存在较多不同。本研究使用弱浮力环境降低对流的影响，与常规对流环境的实验结果进行对照，考察对流对燃烧的影响。使用精确的环境温度控制方法，在相变温度点前、后进行对照实验，考察固、液相变过程对金属颗粒的着火及燃烧性能的影响。充分利用精密光学测量技术，观察金属颗粒局部的火焰形态及燃烧的光谱特性，研究颗粒的微观燃烧机理。采用双颗粒实验考察颗粒间的相互作用，同时结合拉格朗日-欧拉两相流方法以及大涡模拟数值计算，研究金属颗粒的稠密相燃烧模型。通过本项目获取金属颗粒燃烧的基础参数，建立适合金属颗粒物特点的燃烧模型和计算方法，最终目标是解决金属颗粒物在微喷射背景下的燃烧基础问题，同时加强燃烧科学中金属颗粒的燃烧理论基础。

金属颗粒常作为固体推进剂的添加剂，其燃烧反应在工业中应用广泛。同时，在武器/核物理设备的使用过程中，金属表面因微喷过程引发高温燃烧现象。.本项目首先进行单液滴燃烧实验作为研究基准，采用挂滴法实验研究了单液滴的着火和燃烧特性，考察激光和热丝两种点火方式对液滴燃烧速率、火焰形貌和着火延迟时间的影响。热丝加热时间增加会增加液滴周围气体对流强度，从而加快燃烧速率；与热丝点火相比，激光点火响应迅速，对液滴附近气体干扰小。.采用热重-质谱联用仪、X射线衍射仪及扫描电子显微镜等测试手段，研究了不同升温速率下微米级铝粉的氧化特性。结果表明，多晶相变氧化机理同样适用于1~2 μm铝粉。其氧化可分为五个阶段；氧化铝晶型转变、铝核心熔化膨胀等引起的氧化膜破裂是第二、四阶段快速氧化的主要原因；第三阶段因θ-Al2O3出现导致DTG曲线出现较小的增重峰，该峰值温度随着升温速率的减慢而提前。对于微米级铝粉，粒径越大，晶型转变温度越高，颗粒氧化越不完全。结果还表明扩散驱动力的选择对计算活化能产生的影响比较小。.采用固定铝颗粒、双激光加热方式实验研究了毫米级铝颗粒的着火和燃烧特性，并将其与单液滴燃烧进行对比。结果表明，铝颗粒在空气中燃烧由初始的非均相表面燃烧转变成气相扩散燃烧。稳定燃烧阶段，由于铝核心气化和氧化同时进行，氧化膜间歇破裂，火焰亮度和高度存在“震荡”现象，颗粒上方火焰高度约为颗粒粒径的1.5倍。与单液滴燃烧相比，铝颗粒直径在燃烧过程中逐渐增大；其着火需更大的点火能；在毫米级范围内，铝颗粒的着火延迟比单液滴的大一个量级以上。.通过实验研究，本文系统地分析了微米级和毫米级铝颗粒的氧化及燃烧特性，充实了金属颗粒燃烧的理论基础；对比了毫米级铝颗粒和单液滴在激光点火方式下的燃烧特性，归纳了金属铝颗粒的燃烧特点。