含纳米铝液体燃料的单液滴燃烧特性实验研究①

周 帅，敖 文，高 毅，刘佩进，吕 翔

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)

0 引言

碳氢燃料作为最常见的航空航天发动机燃料被广泛使用。碳氢燃料具有能量密度高、安全性好、使用方便、成本低等优势。为了提高飞行器性能，需要密度和体积燃烧热值更高的液体燃料。传统的人工合成方式已无法满足要求[1]。作为常用的高能燃料，纳米铝粉具有体积热值高、耗氧量低、反应活性强[2]、提高推进剂燃速[3]等优势。在传统的碳氢燃料中添加高能金属颗粒，使之形成稳定悬浮液，是液体燃料高能化的重要手段[4-5]。虽然添加金属颗粒后燃料流动性和分散稳定性变差，容易导致供给管路和喷嘴内沉积、堵塞和腐蚀等问题[6]，但其具有能量密度高、点火延迟短、传热传质快等特点，可显著提升燃料的点火燃烧性能和能量特性。通过进行含纳米铝液体燃料的单液滴点火燃烧试验，可以得到含纳米铝液体燃料的燃烧规律，为其应用提供理论依据，具有重要的学术意义和工程价值。

目前，国内外学者对含金属液体燃料的燃烧试验进行了较为广泛的研究。在液体燃料中添加纳米颗粒，可提高燃料液滴对周围辐射的吸收率，从而增强液滴蒸发燃烧速率。GAN等[7]通过不同功率的汞灯对铝含量0.1%、0.5%、5%的纳米流体燃料液滴进行辐射试验，发现在所有辐射水平下，纳米流体燃料都能显著提高液滴蒸发速率；但含有高浓度纳米铝时，纳米铝的聚集增加会抑制燃料扩散并抑制蒸发，使得增强效果减弱。TANVIR等[8-9]通过液滴发生器生成液滴流，研究了铝和石墨纳米颗粒对乙醇液滴燃烧的影响，发现添加纳米颗粒确实增强了液滴辐射吸收能力，对提高液滴燃烧有一定作用，同时颗粒浓度越高，燃烧速率越高；纳米颗粒在液体燃料中容易发生碰撞与团聚，为了提高颗粒的分散稳定性，减少颗粒沉降，需要在燃料中添加表面活性剂。OLSON等[10]在JP-10煤油中添加非离子表面活性剂，获得了固含量50%以上的具有较好颗粒悬浮稳定性的含铝液体燃料。陈冰虹[11]在含颗粒的JP-10煤油中加入油酸和吐温-85，发现一周后燃料无分层现象，析油率为0%；添加油酸后燃料变为二元体系，其在燃烧过程中会出现微爆现象。LAW[12]解释了多组分燃料中微爆产生的原因，这是由组分挥发性与沸点不同导致的。杨大力等[13]在无水乙醇中加入2% 、5% 、10% 80～100 nm硼颗粒及胶凝剂，发现胶凝剂是导致凝胶推进剂燃烧出现微爆现象的原因，硼颗粒本身的不稳定燃烧也会增大液滴微爆剧烈程度。HAN等[14]向庚烷中添加油酸后，燃料点火延迟时间和点火温度随油酸浓度增加而显著提高；与纯庚烷液滴相比，含2%油酸庚烷液滴的点火延迟时间和点火温度其分别增加了60%和40%，且温度和油酸浓度增加导致液滴微爆更剧烈、产生气泡数量更多。GAN等[15-16]利用挂滴法对含10% 80 nm、5 μm与25 μm铝颗粒的正癸烷和乙醇液滴进行燃烧试验，提出含纳米铝液滴燃烧的五个阶段，即预点火加热阶段、液滴稳定燃烧阶段、液滴破碎阶段、表面活性剂燃烧阶段和铝液滴燃烧阶段；通过对比含微米尺度和纳米尺度颗粒液滴燃烧现象，发现具有微米尺度颗粒的液滴发生更强微爆行为。SUB等[17]对含1% 、3% 、5%铝颗粒乙醇溶液进行试验，结果表明，纳米铝使液滴燃烧速率常数最多增加13%，且颗粒浓度增加会使液滴燃烧动力学改变。LIU等[18-19]发现环境氧含量会影响含铝颗粒的JP-10液滴燃烧特性及铝团聚体形成过程，当氧含量大于10%时，铝团聚体被成功点燃；当氧含量达到50%时，铝团聚体发生爆燃，铝颗粒迅速氧化，完全释放热量，形成致密的氧化铝球。颗粒含量增加，液滴着火时间缩短，燃烧强度增加，但颗粒含量增加会引入颗粒团聚问题，降低了铝颗粒氧化度。

含纳米颗粒液体燃料燃烧的宏观现象及纳米颗粒和表面活性剂单独对燃料特性的影响已有一定的认识。但现有研究对于含纳米铝液体燃料中各组分之间的相互作用机制及影响规律不够明确，对含纳米铝液体燃料各组分相互作用进行探究有助于深入理解其燃烧特性。在大气环境下，开展液滴燃烧实验虽与燃料实际工作环境有所差异，但两种环境下均为燃料与氧发生反应，且液滴燃烧机制与各组分影响规律同样对实际环境具有参考价值。

本文使用JP-10煤油作为基础液体燃料，在此基础上添加油酸和纳米铝粉，制成含纳米颗粒液体燃料。通过高速摄影系统拍摄含纳米铝液体燃料单液滴燃烧过程。通过对实验数据的处理，得到四种单液滴燃烧的一般规律，以及油酸和纳米铝粉对含纳米铝液体燃料液滴燃烧的影响规律。

1 试验方法

1.1 样品制备

使用JP-10航空煤油作为基液，购于湖北远成集团远成药业有限公司，纯度99%。JP-10煤油具有能量高、密度大、粘度小、冰点低等优点，是一种性能优良的高密度碳氢燃料。纳米铝粉由广州宏武材料科技有限公司提供，纯度99%，颗粒标称粒径为70 nm，密封保存于干燥箱内。使用铝粉时通过超声分散方法破坏纳米铝粉分子间作用力，减少纳米颗粒的团聚现象。油酸由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，纯度为97%。制作燃料时，称量好各组分质量，全部混合后搅拌10 min。对于添加纳米铝粉的燃料，搅拌后放入超声振荡器中，振荡0.5 h后，制得实验用燃料。表1为四种燃料的物质组成。

表1 四种燃料的物质组成

1.2 试验系统

单液滴点火燃烧试验系统主要包括液滴固定与点火装置和高速摄像系统。实验装置示意图如图1所示。

图1 试验系统示意图

通过微量移液器生成粒径(1±0.1) mm液滴，悬挂于夹角60°的两束相互交叉的碳化硅细丝上，细丝束直径小于100 μm。两束细丝更有利于固定液滴位置。碳化硅热导率低，液滴燃烧过程中热损失可忽略。使用镍铬发热丝对液滴进行加热点火，利用电磁伸缩杆控制发热丝靠近和远离液滴。试验时发热丝靠近液滴，直至液滴正下方约2 mm位置，为液滴提供一个约500 ℃高温环境，发热丝不与液滴接触。整个液滴燃烧期间发热丝都处于液滴正下方位置，液滴燃尽后，再将发热丝撤回到初始位置。高速摄影系统包括phantom M340高速相机、0.5倍远心镜头、单频强光灯和控制电脑各1个。高速相机采样率设定为1400 fps，曝光时间200 μs。

试验在开放环境下进行。试验时先使用微量移液器生成微液滴悬于碳化硅细丝上。将发热丝预先加热1 min，待其温度稳定后，开启电磁伸缩杆将发热丝送至液滴正下方，点燃液滴。与此同时，高速相机开始拍摄液滴燃烧图像，液滴燃烧完全后关闭各系统。

2 结果与讨论

通过高速相机拍摄液滴燃烧全过程，可对其燃烧特性有更加直观的认识，同时可获得其燃烧过程中液滴形态与火焰形貌变化、液滴粒径变化以及液滴微爆现象等信息。对各时刻液滴图像进行处理，获得液滴纵向长度，近似作为液滴粒径。图2为纯煤油、煤油/油酸、煤油/纳米铝粉及煤油/油酸/纳米铝粉四种燃料液滴燃烧过程中粒径平方随时间变化图。

燃烧速率是表征液滴燃烧快慢的参数。燃料液滴燃烧速率越快，单位时间内燃烧的燃料越多，放热越多。可通过提高燃料液滴的燃烧速率，来提升其燃烧性能。根据理论推导，液滴粒径平方随时间变化率的绝对值即为液滴燃烧速率。通过对图2中稳定燃烧阶段区域c内数据进行线性拟合，获得4组数据在此区域内拟合曲线的斜率，即可求得液滴在该时间段内燃烧速率KC。图3为四种燃料稳定燃烧阶段的燃烧速率。

图2 四种液滴燃烧过程的粒径平方变化

图3 四种液滴稳定燃烧阶段的燃烧速率

2.1 纯煤油单液滴燃烧试验

纯JP-10煤油单液滴的燃烧过程如图4所示。在发热丝产生的高温环境中，煤油液滴吸热蒸发，形成围绕液滴的蒸汽云。当蒸汽浓度达到着火条件后，液滴被点燃，此时液滴周围出现明显火焰。液滴开始加热至液滴被点燃的过程称为预热点火阶段，对应图中蓝色实线部分，此过程时间较短，液滴粒径只是略有减小。由图2可知，煤油不断蒸发燃烧，液滴粒径平方随时间线性变小，直至液滴消耗殆尽，粒径变化基本满足d2定律，该过程称为稳定燃烧阶段，对应图中红色圆点线部分。由图3可知，纯煤油液滴燃烧速率为0.676 mm2/s。通过火焰图片亮度判断火焰强度[20-21]，将火焰图片转化为灰度图后，灰度值越高，火焰亮度越高，则说明火焰强度越高。由图5可知，液滴火焰强度分布为火焰内部强度较低，而火焰外围强度较高，同时在液滴整个燃烧过程中火焰变化平稳，火焰强度分布基本不变。

图4 纯煤油单液滴燃烧过程

(a) Flame intensity picture (b) Gray scale value of picture

2.2 添加纳米铝粉的煤油单液滴燃烧试验

图6展示了只添加纳米铝粉的煤油单液滴燃烧过程。液滴先是从环境吸热蒸发，预热一段时间后液滴被点燃，此后被点燃的液滴稳定蒸发燃烧，此过程燃烧特性与纯煤油的预热点火和稳定燃烧阶段相同。由于燃料中添加了铝颗粒，在煤油燃烧过程中会有少量的纳米铝颗粒从液滴中喷出后被点燃，同时液滴燃烧过程后期存在特殊的团聚体反应阶段。当液滴中液相成分燃烧殆尽后，液滴中纳米铝粉会在碳化硅细丝上聚集形成铝团聚体。煤油燃烧产生的热量使团聚体温度较高，氧气扩散到团聚体表面后发生反应，铝团聚体点燃并发出强烈的白光，燃烧产物残留在细丝上，对应图中绿色长虚线部分。由图2可知，该液滴粒径平方随时间线性变小，满足d2定律。其粒径变化速度明显快于纯煤油液滴，这与图3中此燃料液滴燃烧速率高于纯煤油液滴相对应。添加5%纳米铝粉后，煤油/纳米铝粉液滴燃烧速率较纯煤油提高20%。同时，液滴总燃烧时间缩短。说明添加铝颗粒可提高液滴燃烧速率，这是由于纳米铝颗粒可提高液滴吸收辐射热的能力，使液滴单位时间内吸收更多的热量，蒸发燃烧速率变大。通过对比图7中煤油燃烧时火焰强度与铝团聚体反应时火焰强度，可发现团聚体反应阶段火焰图灰度值接近最高值255，明显大于煤油燃烧火焰图灰度值80，说明铝团聚体反应更加剧烈。同时，煤油燃烧过程中火焰强度分布基本稳定，火焰外围强度略强于火焰内部强度。

图6 添加纳米铝粉的煤油单液滴燃烧过程

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

2.3 添加油酸的煤油单液滴燃烧试验

只添加油酸的煤油单液滴燃烧过程如图8所示。此液滴燃烧过程同样包括液滴预热点火阶段和稳定燃烧阶段，阶段特性与前述相同。但液滴稳定燃烧一段时间后出现一个独特的燃烧阶段，以液滴内部开始产生小气泡作为此阶段开始的标志。煤油不断蒸发，小气泡不断膨胀并聚集，当气泡达到一定体积时，气泡破裂，液滴体积急剧变小，液滴中气泡演化过程如图9所示。液滴内多次重复气泡生成、膨胀、破碎过程，直至液滴燃烧殆尽。该阶段称为液滴的微爆，对应图中橙色短虚线部分。微爆的产生主要是由油酸与煤油的沸点不同造成的。液滴燃烧时，煤油作为挥发性较高的组分首先汽化，使油酸在液滴表面的浓度变高，逐渐在液滴表面形成油酸薄层。当液滴内部煤油继续受热蒸发，被表面油酸薄层阻挡，无法扩散出去，从而在液滴内生成气泡。当气泡内蒸汽变多，压力变大，直至超过油酸薄层表面张力后，气泡破碎，液滴缩小，一次微爆过程结束。图2中，b时刻前，液滴粒径平方基本随时间线性变小，基本满足d2定律，但在b时刻后，液滴粒径平方产生剧烈的振荡，不断变大缩小，直至液滴燃烧殆尽。图3中显示此液滴燃烧速率略低于纯煤油液滴，这是由于液滴表面油酸会抑制煤油的蒸发，使其稳定燃烧阶段燃烧速率降低。但与此同时，微爆阶段液滴消耗反而变快，与纯煤油相比，添加5%油酸的煤油/油酸液滴总燃烧时间缩短18%。图10展示了液滴稳定燃烧阶段与产生微爆时液滴火焰强度分布，可看出微爆使液滴燃烧火焰强度分布不再稳定，与稳定燃烧阶段不同，火焰形貌也受到了一定影响，火焰形状局部或整体变的不再规则。

图8 添加油酸的煤油单液滴燃烧过程

图9 微爆阶段气泡演化过程

(a) Stable combustion stage (b) Micro explosion stage

2.4 添加纳米铝粉和油酸的煤油单液滴燃烧试验

图11为添加纳米铝粉和油酸的煤油单液滴燃烧过程。该液滴燃烧分为四个阶段：预热点火阶段、稳定

图11 添加纳米铝粉和油酸的煤油单液滴燃烧过程

燃烧阶段、微爆阶段、团聚体反应阶段。四个阶段燃烧特性与前述基本相同。图2中，蓝色虚线间距对应只添加油酸的煤油液滴微爆阶段粒径最大落差值，绿色虚线间距对应添加油酸和铝颗粒的煤油液滴微爆阶段粒径最大落差值。绿色虚线间距大于蓝色虚线间距，说明前者对应液滴微爆时体积振荡更加剧烈。这是由于添加铝颗粒后，油酸与铝颗粒在液滴表面形成油酸/铝混合薄层，此薄层强度高于纯油酸薄层，气泡内需要积累更高的压力才能破坏此薄层，因此液滴微爆强度增大。微爆阶段液滴变形严重，有较多小液滴飞溅出去。同时由于液滴微爆更加剧烈，更多铝颗粒在此过程被带出并燃烧掉，使得最后残留在细丝上的铝团聚物变小，液滴燃烧后期团聚体反应强度相对于只添加铝粉煤油液滴稍弱。图2中，液滴粒径平方在a时刻前线性变小，在a时刻后液滴粒径产生剧烈振荡。a时刻在b时刻之前，说明同时添加油酸和铝颗粒的液滴产生微爆现象时间更早。图3中此液滴燃烧速率略低于只添加铝颗粒的液滴，但高于纯煤油和只添加油酸的煤油液滴。同时，由于铝颗粒增强液滴吸收辐射能力和微爆加快煤油消耗两方面原因，液滴燃烧时间在四种燃料中最短。含5%纳米铝粉和5%油酸的液滴燃烧时间较纯煤油缩短37%。对比图12中各燃烧阶段火焰强度，可得前述相似结论。与只添加油酸的煤油液滴相比，微爆阶段液滴火焰形貌变化更加剧烈，火焰强度更高。与只添加铝颗粒的煤油液滴相比，团聚物反应阶段火焰强度略低。

(a) Stable combustion stage (b) Agglomeration reaction stage

3 结论

向JP-10煤油中加入纳米铝粉和油酸制成高能液体燃料。通过挂滴法进行单液滴点火燃烧试验，对比了纯煤油、煤油/油酸、煤油/纳米铝粉及煤油/油酸/纳米铝粉四种液体燃料液滴的燃烧过程。

(1)添加铝颗粒的煤油液滴在燃烧最后阶段生成团聚体，团聚体反应强度高于煤油燃烧强度。添加铝颗粒后，液滴吸收辐射能力增强，添加5%纳米铝粉的煤油/纳米铝粉液滴燃烧速率相比纯煤油提高20%，总燃烧时间缩短。

(2)添加油酸的煤油液滴燃烧时产生微爆现象，这是由液滴燃烧过程中表面逐渐富集并形成油酸薄层导致的。液滴表面油酸抑制煤油蒸发，使液滴稳定燃烧阶段燃烧速率变小，但微爆阶段煤油被快速消耗，添加5%油酸的煤油/油酸液滴总燃烧时间相比纯煤油缩短18%。

(3)同时加入油酸和纳米铝粉的煤油液滴燃烧分四个阶段为预热点火阶段、稳定燃烧阶段、微爆阶段和团聚体反应阶段，其余三种燃料都包含前两个阶段，且稳定燃烧阶段液滴粒径平方变化规律均满足d2定律。油酸与铝颗粒形成的表面混合层强度高于油酸薄层，使液滴微爆强度更高，油酸与铝颗粒共同作用使液滴燃烧时间最短，含5%纳米铝粉和5%油酸的液滴燃烧时间相比纯煤油缩短37%。