一项关于铝颗粒非对称燃烧的实验研究及建模

《Combustion and Flame》：An experimental study and modeling of aluminum particle asymmetric combustion

铝颗粒不对称燃烧过程中旋转、轨迹偏转及烟尾形成现象的系统研究，揭示旋转频率与颗粒尺寸（-1.7至-0.15关系）、温度及氧化剂浓度的关联，建立半解析模型解释气泡与准裂隙转变机制，并指出其对燃烧室沉积的影响。

　　

叶戈尔·D·布格罗夫|弗拉基米尔·V·卡拉谢夫|奥列格·G·格洛托夫

俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力学与燃烧研究所，630090，新西伯利亚，俄罗斯

摘要

本研究重点关注铝颗粒在气体介质中非对称燃烧时伴随的现象，包括颗粒旋转、正弦轨迹、突然的轨迹偏转、螺旋形烟雾尾部的形成，以及旋转频率与颗粒大小、环境温度和氧化剂浓度的关系。通过对大量文献的回顾，并结合原始的高速视频观察，发现存在两种旋转模式，其转变直径约为30微米。对于较大的颗粒，平均旋转频率与颗粒直径的立方成反比（d_p^-1.7）；而对于较小的颗粒，旋转频率与颗粒直径的平方成反比（d_p^-0.15）。这种差异源于粗颗粒和细颗粒燃烧机制的不同。旋转频率呈现特征性的“双峰”时间分布，并随氧化剂浓度和温度的增加而增加。轨迹偏转过程中不会发生颗粒破碎，且烟雾螺旋直径与Al/Al2O3颗粒大小呈线性关系。熔融氧化铝与铝之间的化学反应可能在氧化层下方产生离散气泡（在5-20大气压以上的高压条件下），或在较低压力下产生“准裂隙”结构。从气泡到准裂隙的转变类似于从核沸腾到膜沸腾的转变。我们提出的半解析模型描述了氧化层下方的喷射流，将旋转动力学、轨迹偏转和螺旋形烟雾尾部的形成联系起来。氧化层在铝颗粒表面的生长导致了“双峰”频率-时间依赖性的出现，轨迹偏转发生在旋转频率最低点附近。这可能导致氧化残留物在燃烧室壁上沉积，从而对发动机性能产生不利影响。一些基于铝的复合材料中的添加剂能够诱导并增强颗粒旋转。文献评估表明，在高压（约10大气压以下）和氧化剂浓度高的条件下，由于旋转对流的作用，燃烧速率显著增加，这种情况在冲压发动机模式中尤为常见。

引言

铝（Al）是复合固体推进剂中最常用的能量添加剂之一，因此研究铝颗粒的燃烧现象仍然具有重要意义[1]。尽管自20世纪中叶以来已有数十年的研究，但仍有许多燃烧现象尚未得到充分理解，而这些现象可能显著影响推进剂的性能。

铝颗粒在气体介质中的燃烧表现出多种独特现象，包括辐射亮度的振荡[2, [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]；无明显颗粒破碎的突然轨迹变化[2,3,5,6,9,14,[23], [24], [25], [26]；正弦形轨迹[5,12]；螺旋形氧化烟雾尾部[2,3,5,14,[27], [28], [29]；以及高频颗粒旋转（10^2–10^4 Hz[29], [30], [31], [32], [33])。

这些常见现象目前仍缺乏详细的建模。例如，贝克斯特德模型[34]虽然是描述铝颗粒燃烧最可靠的模型之一，但它忽略了颗粒旋转和喷射现象——这些现象在反应性环境中（尤其是在空气中）非常典型。

这些行为源于颗粒燃烧的非对称性。文献[1,13,18]中对这种非对称性的机制进行了定性阐述。铝颗粒的燃烧分为三个阶段：第一阶段为稳定燃烧，火焰呈球对称分布，没有亮度振荡；第二阶段在颗粒表面形成富氧区域，降低局部蒸发率，伴随亮度振荡（如[18, 图2]所示，使用光电倍增管观察到明显的锯齿状图案）；第三阶段铝颗粒表面形成氧化层，产生稳定的Janus型Al/Al2O3颗粒[33,36]。研究表明，氧化层生长过程中包括纳米氧化颗粒从火焰中的热泳沉积和铝表面的异相反应两个关键过程。这一阶段还伴随着螺旋形烟雾尾部和轨迹偏转。光电倍增管可以记录到可解释为颗粒旋转的亮度振荡[20,40]。

在固体推进剂燃烧表面形成的Al/Al2O3颗粒通常已经具有氧化层[1,41,42]，因此直接进入第三燃烧阶段。当单个颗粒通过热气流[2]、激光[19]或电弧[18,20,24]等方式被点燃时，更有可能观察到这三个阶段。因此，本研究重点关注第三燃烧阶段。

由于铝和氧化铝之间的发射率和温度差异[31,33,43,44]，Al/Al2O3颗粒的旋转会导致颗粒（作为点光源）总亮度的周期性变化[18]。虽然火焰亮度的周期性变化也可能对观察到的振荡有所贡献[20]，但本研究未考虑这一因素，将“旋转频率”和“振荡频率”视为同义词使用。

Al-Al2O3界面内的过程仍不明确。在较高压力（约10–70巴）下，氧化层下方会 actively 形成气泡[45,46]。这些气泡可能是由两种凝聚相之间的化学反应[36,47,48]、过热铝的蒸发[33,49]、亚氧化物或氮的溶解[18,50]，或在颗粒形成过程中被困的粘合剂的热解[45]产生的。这些气体被认为驱动了喷射现象，进而导致颗粒旋转和螺旋形烟雾尾部的形成[33,40]。尽管存在关于燃烧金属颗粒中气泡演化的模型[36,50]以及对反应性喷射的估算[20]，但其兼容性和适用范围仍不清楚。

根据碳氢化合物颗粒旋转可以缩短燃烧时间的类比[51], [52], [53]，预计金属颗粒也会出现类似效应。

本研究的目标是整理和分析关于不同氧化剂浓度和环境温度下铝颗粒在气体环境中非对称燃烧的文献数据；通过获取和处理铝颗粒在空气中的原始高速成像数据来补充这些信息；并开发一个包含上述效应的半解析模型。

实验装置

图1展示了实验装置的示意图。在空气（1大气压，室温）中燃烧的铝颗粒通过视频成像进行记录。一根内径为2.5毫米、长度为1厘米的石英管内填充了不含金属的复合推进剂，其中含有100–1000微米大小的铝化固体推进剂颗粒（样品制备的详细信息见参考文献[54]）。当推进剂燃烧时，燃烧产生的气体将Al/Al2O3微粒从管中喷出。

燃烧铝颗粒的火焰尺寸

为了估算10–500微米颗粒的垂直火焰半径R_fl⊥，我们使用以下公式：R_fl⊥ = 0.5?d_p?[1/(R_fl⊥/R_p)^1 + 1/(R_fl⊥/R_p)^2^-1，其中d_p = (6?V_p/π)^1/3，是基于总Al/Al2O3体积V_p的等效颗粒直径。第一项(R_fl⊥/R_p)^1 = 32/d_p^0.47[μm]是针对气相燃烧阶段的经验公式[62]；第二项(R_fl⊥/R_p)^2 = d_p/6.1 μm是针对细颗粒（d_p > 6.1 μm）的计算公式[61]。

我们假设这个公式适用于……

结论

本研究关注Al/Al2O3颗粒非对称燃烧阶段的特征：燃烧颗粒的旋转、正弦轨迹、轨迹偏转、螺旋形烟雾尾部的形成，以及旋转频率与颗粒大小、介质氧化性质和环境温度的依赖关系。尽管这些效应在文献中已被多次观察到，但目前尚未开发出一个能够协调解释所有这些现象的详细模型。

创新性和意义

本研究将新的高速成像结果与之前未系统化的已发表数据结合起来，揭示了铝颗粒非对称燃烧过程中一些未被注意到的相互作用。该模型建立了Al/Al2O3颗粒旋转动力学的复杂机制，与所有已知现象一致。论文指出，非对称燃烧可能影响固体推进剂的性能和稳定性，尤其是通过其对燃烧室壁的影响。

作者贡献声明

叶戈尔·D·布格罗夫：撰写原始稿件、可视化处理、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析。弗拉基米尔·V·卡拉谢夫：撰写和编辑、资源管理、项目协调、方法论设计、实验研究、概念构思。奥列格·G·格洛托夫：撰写和编辑、监督工作、项目管理。