铝/乙醇基纳米浆体燃料的着火燃烧特性研究

为了明确纳米铝粉从低浓度到高浓度变化对液体碳氢燃料着火燃烧特性的影响,采用液滴悬挂法研究了不同温度下(700~800℃)乙醇液滴和添加不同浓度(2.5wt%, 10wt%, 15wt%和20wt%)纳米铝粉的铝/乙醇基纳米浆体燃料液滴的着火燃烧特性。利用高速摄影系统捕捉了液滴整个燃烧过程,分析了其液滴寿命。通过热电偶对液滴附近气相温度的测量,获得了其着火性能参数。结果表明,添加纳米铝粉可以改善乙醇液滴的着火性能。不同铝粉浓度改善效果不同,低浓度时效果较好,着火延迟时间显著缩短,点火温度明显降低。随温度升高,乙醇及添加纳米铝粉的铝/乙醇基纳米浆体燃料液滴着火延迟时间及着火温度均明显降低。纳米铝粉(S2)对乙醇(S1)着火延迟时间和液滴寿命的降幅在750℃最大,其降幅分别达42.20%和18.43%。纳米铝粉(S3)着火温度降低,其最大降低幅度也出现在750℃,相对于乙醇(S1)降低幅度达28.57%。一定铝粉浓度范围内,液滴微爆炸程度和微爆炸时长随铝粉浓度升高而增大,但铝粉浓度超过10wt%后趋势变得平稳。     

铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴着火燃烧特性

采用液滴悬挂法研究了正庚烷液滴、油酸/正庚烷混合燃料液滴、含20wt%纳米铝粉的铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴在不同温度下(600~800℃)的着火燃烧特性。用高速摄像机观测液滴进入管式电阻炉后的着火燃烧过程,使用热电偶记录液滴周围的气相温度变化,同时通过对应的温度曲线计算液滴的着火延迟时间。结果表明,纳米铝粉和油酸的添加均能降低正庚烷液滴的着火延迟时间。随温度升高,正庚烷、油酸/正庚烷混合燃料、铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间显著降低,但变化趋势逐渐趋于平缓。铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间与环境温度满足阿累尼乌斯方程。与纯正庚烷、油酸/正庚烷混合液滴的燃烧过程相比,铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴的燃烧过程有显著差异,其燃烧经历3个阶段：正庚烷稳定燃烧阶段、正庚烷微爆炸阶段和表面活性剂微爆炸阶段。铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴燃烧时间延长,火焰熄灭后又复燃,且燃烧过程中发生剧烈的火焰形变和铝颗粒溅射现象,大部分铝以团聚体形式在第三阶段完成氧化还原反应。     

微米级单颗粒铝粉加压着火燃烧特性

为探究压强及氧浓度对铝粉着火燃烧特性的影响,利用自主搭建的基于平面火焰燃烧器的可视化加压携带流台架,结合高速显微摄像方法,对0.1～0.7MPa、20%和30%氧浓度、O₂/CO₂气氛下粒径79μm的离散单颗粒铝粉的微观着火燃烧过程进行了光学诊断。结果表明,铝粉颗粒的燃烧过程可分为4个阶段：预加热缓慢氧化阶段、铝蒸气扩散剧烈燃烧阶段、破碎爆裂旋转加速阶段以及燃尽阶段。当压强每升高0.2MPa,铝粉着火延迟时间缩短约4ms,燃烧持续时间增大约2ms;当氧浓度升高10%,不同压强下铝粉的着火延迟时间缩短约1.5ms,燃烧持续时间增大约0.2ms。随着压强和氧浓度的升高,铝粉颗粒表面的氧分压和氧浓度增大,燃烧更加剧烈,使得铝粉颗粒的总时间缩短,且压强的影响与氧浓度相比更加明显。     

金属/AP颗粒混合物燃烧特性的光谱分析

为了使Al/AP双组元粉末火箭发动机密度比冲最大化,将燃烧室特征长度由2.31 m增至 12.62 m进行了Al/AP粉末火箭发动机点火测试.采用光谱仪、CCD 相机、CO2 激光点火器等对 Al/AP 混合物在 1.0132 5 × 105 Pa的氮气环境中的点火延迟、燃烧时间、燃烧平稳性等燃烧性能进行了研究.测量了Al颗粒的表观堆积密度.作为一种替代燃料,对镁颗粒也进行了研究.结果表明,增加燃烧室特征长度至 12.62 m 时,可以得到最大燃烧室压强振荡幅度±2 .43%的平稳燃烧性能.含粒径 1μm 铝粉的 Al/AP 混合物其燃烧过程的光强远大于含粒径10μm铝粉的样品,并且其在波长 568 nm 发射光谱的光子数强度超过了光谱仪检测上限(65 000 数).而含粒径10μm铝粉样品燃烧过程的568 nm发射光谱信号出现间断且其全程强度低于 19 036 数.粒径 10μm 铝粉点火延迟时间为粒径1μm铝粉点火延迟时间的3.65 倍,燃烧时间为3.03 倍以上,最大RAlO却比 1μm铝粉少 14.3%,密度低21 .3%,说明粒度小的铝粉具有更好的燃烧性能,但是其堆积密度也更低.虽然Mg/AP的理论比冲为Al/AP的95.6%,但是其堆积密度比粒径1μm铝粉高8%,其点火延迟时间比粒径10μm铝粉短 90.3%.火焰照片也表明镁粉可在很大程度上减少凝相沉积.     

金属/AP颗粒混合物燃烧特性的光谱分析（英文）

为了使Al/AP双组元粉末火箭发动机密度比冲最大化,将燃烧室特征长度由2.31m增至12.62m进行了Al/AP粉末火箭发动机点火测试。采用光谱仪、CCD相机、CO2激光点火器等对Al/AP混合物在1.0132 5×105Pa的氮气环境中的点火延迟、燃烧时间、燃烧平稳性等燃烧性能进行了研究。测量了Al颗粒的表观堆积密度。作为一种替代燃料,对镁颗粒也进行了研究。结果表明,增加燃烧室特征长度至12.62m时,可以得到最大燃烧室压强振荡幅度±2.43%的平稳燃烧性能。含粒径1μm铝粉的Al/AP混合物其燃烧过程的光强远大于含粒径10μm铝粉的样品,并且其在波长568nm发射光谱的光子数强度超过了光谱仪检测上限(65 000数)。而含粒径10μm铝粉样品燃烧过程的568nm发射光谱信号出现间断且其全程强度低于19 036数。粒径10μm铝粉点火延迟时间为粒径1μm铝粉点火延迟时间的3.65倍,燃烧时间为3.03倍以上,最大RAlO却比1μm铝粉少14.3%,密度低21.3%,说明粒度小的铝粉具有更好的燃烧性能,但是其堆积密度也更低。虽然Mg/AP的理论比冲为Al/AP的95.6%,但是其堆积密度比粒径1μm铝粉高8%,其点火延迟时间比粒径10μm铝粉短90.3%。火焰照片也表明镁粉可在很大程度上减少凝相沉积。     

铝粉-空气混合物的燃烧转爆轰过程

利用自行设计的长29.6 m、内径199 mm配有40套喷粉扬尘装置的大型水平爆轰管,研究了细片状铝粉-空气混合物在40 J弱点火条件下火焰从发生到加速、最后实现爆轰转捩的全过程,探讨了铝粉浓度和点火延迟时间对爆轰参数的影响.结果表明,铝粉-空气混合物燃烧转爆轰(DDT)过程可分为慢速反应压缩阶段和快速反应冲击阶段.当点火延迟时间为370 ms,铝粉质量浓度为300 g/m~3时,在管道中距离点火位置83倍长径比处峰值超压为9.8 MPa,爆速为1 670 m/s,发生了DDT过程.在铝粉-空气混合物自持爆轰波的传播过程中,由于呈现螺旋爆轰波结构,爆速和峰值超压随着传播距离振荡.     

含不同粒度铝粉的铝/冰燃料的燃烧特性

用微米铝粉逐级取代部分纳米铝粉制备铝/冰燃料,采用表面接触法和高速摄影技术研究了不同粒度铝粉改善铝/冰燃料燃烧特性的效果. 结果表明,随微米铝粉取代量增加,铝/冰燃料燃烧反应速率和剧烈程度均先提高后降低,微米铝粉取代量为30%(w)时,铝/冰燃料最高升温速率达6062.24℃/s,是纯纳米铝/冰燃料的3.8倍. 用微米铝粉取代部分纳米铝粉均不同程度提高铝/冰燃料的燃面传播速率,微米铝粉取代量约为20%(w)时燃烧性能最佳,燃面传播速率较纯纳米铝/冰燃料提高57.8%. 在分析实验结果的基础上,建立了铝/冰燃料的燃烧火焰模型.     

硼颗粒在固冲环境中点火过程影响因素的数值模拟

采用修正的Williams 硼颗粒燃烧模型对固体推进剂燃烧环境条件下的硼颗粒点火进行了数值模拟,计算了环境温度、气相氧化剂种类和分压、颗粒初始半径及氧化层厚度对硼颗粒点火的影响.结果表明,环境温度升高可以缩短硼颗粒点火延迟时间和点火时间;环境中氧分压过大会延长点火延迟时间;水蒸气分压越大,点火时间越短;硼颗粒半径增大会导致氧化层厚度增大进而延长点火时间和点火延迟时间.     

铝锂合金燃料及其应用研究新进展

<正>铝粉用于含能材料已有近百年的历史,如何提高铝粉在含能材料中的燃烧效率一直是一个世界性的难题。锂是一种极为活泼的金属,理论热值达到铝的1.5倍,氧化反应速率也远远高于铝。将特定含量的锂与铝复合而制得的铝锂复合燃料,在理论上具有比铝粉更高的热值和反应活性,有望在炸药、固体推进剂和烟火药等含能材料中燃烧更快、更完全。美国东哈特福德联合航空公司研究实验室在1961年研究了铝锂合金粉在空气中的燃烧现象,发现由于锂的熔沸点远小于铝,合金粉中的铝在燃烧过程中更容易破碎,颗粒变小,从而提高了合金粉的燃烧效率。     

高活性微米多孔铝粉的制备与表征

为得到具有高活性多孔铝粉和氢化铝共存的混合体系,在常压下采用格氏试剂法对普通铝粉进行活化,通过半固相反应得到高活性微米多孔铝粉,用红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、静态氮吸附等方法对样品进行了表征,通过氧化还原滴定法测试了微米多孔铝粉的活性。结果表明,制备所得样品的主要成分是铝粉,同时还有部分AlH3;样品具有多孔结构,粒径多数分布在30μm左右,不仅具有孔径在2~10nm之间的中孔,还存在孔径分布在1nm以下的部分微孔结构;总孔体积为普通铝粉的5~7倍,比表面积为普通铝粉的2~3倍,样品平均活性含量达到92.83%。这种含有AlH3的高活性微米多孔铝粉混合体系在含能材料领域有很大的应用价值。     

亚熔盐分解钾长石矿样中钾铝硅的分离

采用KOH亚熔盐法常压低温分解河北钾长石矿粉,回收过量碱后,用硫酸溶解固渣,得含高浓度钾、铝、硅的母液;采用溶胶?凝胶法和分步醇析法从母液中制备硅凝胶、钾明矾和硫酸钾,钾明矾热解制备氧化铝. 结果表明,钾长石矿中各组分含量分别为K2O 13.13wt%,Al2O3 16.66wt%,SiO2 58.28wt%. 在H+浓度3.80 mol/L及95℃条件下母液易形成硅凝胶,脱硅率达98%以上,SiO2含量大于99.0%,比表面积大于700 m2/g,孔容约为1.0 cm3/g,孔径为5?6 nm;对脱硅母液分步醇析,在25℃、醇料体积比为1时,优先析出钾明矾,铝析出率达98%,降温至5℃并增大醇料体积比至2,可从母液中结晶析出硫酸钾,钾回收率达89%.     

不同气氛对铝粉点火燃烧特性的影响分析

为了研究流化气体对粉末推进剂点火燃烧性能的提高作用,采用CO_2激光点火器和光纤光谱仪相结合的实验方法,研究了不同气氛条件下Al粉的点火燃烧特性。采用光谱信号拟合测温法计算了Al粉在不同气氛环境中的点火温度。结果表明,常压环境下,粒径1μm的Al粉在N_2O和空气氛围下的点火延迟时间分别为10ms和359ms,从点火成功过渡到全面燃烧的时间分别为829ms和1 579ms,说明Al粉在N2O环境中点火阶段的表面异相反应速率与燃烧阶段的反应速率均快于在空气中;粉径1μm的Al粉在N2O和空气环境下的点火温度分别为1 550~1 650K和1 450~1 500K,两者相近,但都明显低于毫米级Al粉的点火温度(2 300K),说明Al粉的点火温度受粒径影响较大。     

Influence of aluminum particle size on ignition and nonstationary combustion of heterogeneous condensed systems

The results of studies of the effect of particle size of aluminum powder in condensed systems on the ignition, nonstationary combustion, and acoustic conductivity of the burning surface are presented. Analysis of the experimental data shows that the ignition delay and the temperature of burning surface of the heterogeneous condensed systems under study decrease with increasing particle size of aluminum powder, and the nature of the dependence of the nonstationary burning rate on the time of depressurization of the combustion chamber for compositions containing micron or ultrafine aluminum powders is in qualitative agreement with the phenomenological theory of nonstationary combustion. Replacement of micron aluminum powder by ultrafine powder in a heterogeneous condensed system increases acoustic conductivity.     

Combustion Measurements of Fuel‐Rich Aluminum and Molybdenum Oxide Nano‐Composite Mixtures

Fuel rich nano‐composite powders of aluminum and molybdenum oxide were tested for ignition and combustion behind the incident and reflected shock waves in a shock tube. The powders consisted of approximately 10 μm particles, each of which contained Al and MoO₃ mixed by mechanical alloying on the nano‐scale. These powders were aluminum rich with composition ratios of 4 : 1, 8 : 1, and 16 : 1 Al : MoO₃ by mass. Ignition tests were performed behind incident shocks for temperatures in the range of 900 to 1500 K. From these tests, ignition delay times were obtained, and some information on combustion duration was also derived. Samples were tested in air at 0.2 MPa, and compared against nano‐Al, 2.7 μm Al, and 10 μm Al baselines. Ignition results for the baseline Al cases were as expected: 10 μm Al not igniting until 2000 K, 2 μm Al igniting down to ∼1400 K, and n‐Al igniting as low as 1150 K. The thermite samples showed considerable improvement in ignition characteristics. At the lowest temperature tested (900 K), both the 8 : 1 and 4 : 1 samples ignited within 250 μs. The 16 : 1 sample (94% Al) ignited down to 1050 K – which represents an improvement of roughly 1000 K over baseline Al with only a small energetic penalty. In all cases, the ignition delay increased as the amount of MoO₃ in the composite was reduced. The 4 : 1 nano‐composite material ignited as fast or faster than the n‐Al samples. Ignition delay increased with decreasing temperature, as expected. Emission spectra and temperature data were also taken for all samples using high‐speed pyrometry and time‐integrated spectroscopy. In these cases, measurements were made behind the reflected shock using end‐wall loading, though the conditions (temperature, pressure, and gas composition) were identical to the incident shock tests. Spectroscopy showed strong AlO features in all the samples, and the spectra fit well to an equilibrium temperature. Broadband, low resolution spectra were also fit to continuum, gray body temperatures. In general, the observed temperatures were reasonably close to 3500 K, which is similar to the combustion temperatures of pure aluminum under these conditions.     

高氯酸铵含量对高铝富燃料推进剂中重要组分高氯酸铵/铝 一次燃烧性能和铝粉团聚的影响

采用CO2激光点火装置联合高速摄影系统及扫描电子显微镜等凝聚相燃烧产物分析技术,研究了高氯酸铵(AP)含量对高Al富燃料推进剂中重要组分AP/Al一次燃烧过程中燃烧现象、引燃时间、燃烧扩散时间、燃尽时间、燃烧效率、颗粒团聚及凝聚相燃烧产物的表面形貌、粒径及其分布的影响。结果表明,各AP/Al混合粉体的燃烧过程均可分为表面引燃、燃烧扩散和火焰熄灭3个阶段,但各样品在不同燃烧阶段的燃烧现象存在明显差异。AP含量由10wt%增至30wt%,样品燃烧剧烈程度增强,燃烧过程中固相颗粒的溅射现象越加明显;在火焰熄灭阶段,各样品燃烧由以停留在样品燃面处的燃烧为主逐渐变为以溅射颗粒的燃烧为主,且随反应进行,燃面已燃固相颗粒最先熄灭,各样品表面引燃时间、燃烧扩散时间、燃烧持续时间均缩短,即燃烧反应速率逐渐加快。在AP/Al混合物中,铝粉的燃烧效率、凝聚相燃烧产物粒度及其团聚程度随AP含量增加而增加。     

氟化铝加压结晶工艺技术研究探析

湿法氟化铝一般采用常压结晶工艺生产,其存在产品结晶水含量高、结晶时间长、产能低等弊端。对此,研究了氟化铝加压结晶工艺技术,考察了结晶压力、结晶时间、晶种添加量、加料温度等因素对氟化铝结晶水含量的影响。优化工艺及条件:将氟硅酸溶液加入反应槽中,加热到70~80 ℃,按照氟硅酸和氢氧化铝物质的量比为1.1:1加入氢氧化铝,在95~105 ℃反应30 min,过滤得到氟化铝溶液和硅胶沉淀;将氟化铝溶液转入高压结晶釜中,添加15%（质量分数）的氟化铝晶种,控制结晶釜内的温度为170 ℃,维持结晶压力为0.7 MPa,结晶时间为3 h;将高压结晶釜内的温度降到80~90 ℃,对结晶后的料浆进行真空抽滤,再经洗涤得到氟化铝软膏;将氟化铝软膏置于120~180 ℃下干燥脱去附着水,再逐步升温至400~600 ℃进行煅烧,除去产品中的结晶水,冷却后得到氟化铝产品。实验结果表明,采用加压结晶工艺制备氟化铝,不仅降低了产品结晶水含量和生产成本,提高了产品质量和产量,而且解决了制约磷化工、氟化工和电解铝行业发展的瓶颈问题。     

Partial oxidation of methane over rhodium catalysts for power generation applications

The partial oxidation of methane (POM) to syngas, i.e. H₂ and CO, over supported Rh catalysts was investigated at atmospheric pressure. The influence of support material, Rh loading and the presence of water vapor on the methane conversion efficiency and the product gas composition was studied. The catalysts containing ceria in the support material showed the highest activity and formation of H₂ and CO. By increasing the Rh loading, a decrease of the ignition temperature was obtained. The addition of water vapor to the reactant gas mixture was found to increase the ignition temperature and the formation of hydrogen, which is favorable for combustion applications where the catalytic POM stage is followed by H₂-stabilized homogeneous combustion.     

氟化物包覆对镁铝合金与水催化反应效率的影响

为了提高镁铝合金与水的反应效率,采用氟化物对镁铝合金粉进行表面包覆,利用扫描电镜、X射线衍射仪和粒度分析仪对合金粉与高温水反应产物进行表征,对比研究了高温下不同比例的氟化物对镁铝合金与水催化反应效率的影响。结果表明,包覆氟化物的镁铝合金与高温水反应产物的粒径减小,分散性明显改善;固相燃烧产物中主要包含Al_2MgO_4、MgO和Al,表明Al未完全反应;合金粉包覆氟化物后铝的反应效率明显提高,其中,包覆质量分数2%氟橡胶和2%有机氟化物的合金粉反应效率高达89.7%,与未包覆样品相比提高了14.6%。