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B/JP-10微/纳米流体型燃料液滴两相耦合燃烧特性研究

B/JP-10微/纳米流体型燃料液滴两相耦合燃烧特性研究

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作者：何炜轩杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着航空航天领域的快速发展以及世界各国对现代化军事战略需求的不断提升,燃料热值成为制约高速飞行器性能的关键因素。B/JP-10悬浮液燃料因其具有较高的能量密度与燃烧热值,从而拥有良好的应用前景。为了深入对此类新型燃料燃烧机理... 详细信息

随着航空航天领域的快速发展以及世界各国对现代化军事战略需求的不断提升,燃料热值成为制约高速飞行器性能的关键因素。B/JP-10悬浮液燃料因其具有较高的能量密度与燃烧热值,从而拥有良好的应用前景。为了深入对此类新型燃料燃烧机理与能量释放特性的认识,本文基于自行搭建的挂滴式单液滴燃烧实验装置对B/JP-10微/纳米流体型燃料液滴的燃烧特性进行了实验研究。以期对硼基微/纳米流体型燃料的实际工程应用提供有效的理论参考与技术支撑。采用“两步法”制备B/JP-10纳米流体型燃料,使用Span-80作为表面活性剂,用于制备稳定悬浮的纳米流体型燃料。结合静置沉淀法和动态光散射法（DLS）,评估纳米流体型燃料的稳定性。结果表明:使用Span-80作为表面活性剂制备的B/JP-10纳米流体型燃料具有良好的悬浮稳定性。采用基于“挂滴法”的单液滴燃烧实验装置对JP-10以及Span-80/JP-10燃料液滴的燃烧过程进行研究。其中,JP-10燃料燃烧过程符合d定律,然而,添加了Span-80的燃料液滴则在燃烧过程中发生了微爆炸现象,且微爆炸燃烧过程与Span-80浓度相关。对于Span-80浓度低于2.5 wt.%的燃料液滴,液滴仅在燃烧结束前通过一次微爆炸结束液滴燃烧。当Span-80浓度达到5.0 wt.%时,液滴的微爆炸燃烧过程则明显提升。此外,表面活性剂的添加对于JP-10燃料液滴的点火和燃烧过程也有抑制作用,延长了燃料液滴的点火延迟,同时抑制燃料液滴稳定燃烧过程中的燃烧速率,且随着表面活性剂浓度的提升,液滴在稳定燃烧阶段的燃烧速率呈下降趋势。对B/JP-10纳米流体型燃料液滴的燃烧特性以及燃烧路径进行研究,发现其燃烧过程随固体硼颗粒浓度的变化,从而呈现出不同的阶段性分布特征。在低浓度硼颗粒（2.5 wt.%或更低）添加下,液滴燃烧过程基本遵循d定律。在燃烧即将结束时,硼颗粒通过微爆炸被带入到气相火焰区参与燃烧。在高浓度硼颗粒（5.0 wt.%或以上）添加下,燃烧过程中发生多次二次雾化和微爆炸。纳米硼颗粒浓度对燃烧模式转变为二次雾化和微爆炸的临界浓度点在2.5-5.0 wt.%范围内,同时相应的表面活性剂浓度为1.25-2.5 wt.%。并且随着制备的初始悬浮液或燃烧演化导致的硼浓度提高,纳米硼颗粒的聚集行为和氧化硼的熔化导致液滴内部产生多孔/致密外壳,促进JP-10蒸发和燃烧过程中压力的积聚和增加,从而发生二次雾化和微爆炸。纳米硼颗粒通过二次雾化和微爆炸行为被带入到气相火焰区参与燃烧,从而释放出更多的燃烧热,硼颗粒释放的燃烧热反馈到液滴燃烧中,提升液滴内部温度、火焰温度以及光谱发射强度。纳米流体燃料液滴的有效燃烧速率随着硼浓度的升高而降低,但燃烧过程中的二次雾化和微爆炸行为极大地缩短了液滴的燃烧时间。在实验研究的基础上,本文提出了二次雾化和微爆炸的燃烧路径,以深入了解B/JP-10纳米流体型燃料的燃烧行为。对微米硼颗粒进行合金化处理后,采用“两步法”将微米硼、铝镁硼颗粒添加到JP-10燃料中制备微米流体型燃料。与添加纯微米硼颗粒的JP-10燃料液滴相比,添加铝镁硼合金颗粒的JP-10燃料液滴在燃烧过程中可以通过Al和Mg的相互相间作用,有效地提升硼的氧化率,从而提升硼的能量释放。从真实的彩色火焰图像、发射光谱以及火焰温度可以看出,在燃料液滴中,铝镁硼比纯硼具有更强的能量释放特性。但在燃烧过程中,添加铝镁硼颗粒的JP-10燃料液滴在燃烧过程中的微爆炸行为更弱。

关键词：微/纳米流体纳米硼合金硼 JP-10 燃烧

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