高温高压环境下铝/硼负载凝胶燃料液滴的燃烧特性及其增强机制研究

为提升航空发动机燃料能量密度，天津大学团队针对高浓度Al/B负载凝胶燃料在高压环境下的燃烧特性开展研究。通过高速摄像和彩色成像技术，揭示了微爆(Micro-explosion)和颗粒壳(Particle shell)对燃烧速率的协同增强机制，发现高压会抑制微爆强度但促进颗粒壳的热传导效应。该研究为高能燃料在航空发动机中的高效燃烧组织提供了理论依据，成果发表于《Fuel Processing Technology》。

　　

航空发动机性能提升的关键在于燃料能量密度的突破。传统航空煤油的体积热值难以突破45 MJ/L，而添加高能金属颗粒（如Al：81 MJ/L，B：136 MJ/L）的凝胶燃料成为新选择。这类燃料虽能通过微爆效应提升燃烧效率，但在实际发动机高压环境中，其燃烧特性尚不明确。天津大学团队在《Fuel Processing Technology》发表的研究，首次系统揭示了高浓度（10-20 wt%）Al/B凝胶燃料在高压（0.1-1.0 MPa）下的燃烧机制。

研究采用高速摄像（2000 fps）和彩色成像技术，通过自主设计的高温高压密封燃烧室（300-1000 K，0.1-1.0 MPa）捕获液滴燃烧全过程。关键方法包括：石英纤维悬挂液滴法（直径1.0±0.1 mm）、微爆强度量化模型（I=∑(d_m1²-d_m2²)/nD₀²Δt）以及基于亮度梯度的液滴轮廓识别算法。

3.1 凝胶燃料液滴的燃烧过程
JP-10液滴遵循典型D²定律燃烧，而添加1 wt%胶凝剂Z的Gel燃料因表面凝胶层阻碍蒸发引发微爆。15Al液滴则呈现双重特性：初期微爆频率高于纯凝胶，后期形成多孔颗粒壳。高浓度20Al液滴因颗粒壳过早形成，抑制了凝胶层发展，导致微爆强度降低80%。

3.2 颗粒浓度的影响
10Al和15Al液滴通过强烈微爆（I>0.15）使颗粒壳破碎，显著提升燃烧速率（K=1.8 mm²/s）。而20Al液滴依赖颗粒壳的热传导增强（导热系数提升300%），燃烧速率反超低浓度样品。但20Al的颗粒团聚体体积增大50%，燃烧时间延长2倍。

3.3 环境压力的作用
压力从0.1 MPa升至1.0 MPa时，微爆强度下降90%，但燃烧速率因火焰半径缩小（热反馈增强）提升40%。特别在0.5 MPa下，15B液滴的硼颗粒首次实现自持燃烧，其绿色火焰面积与压力呈负相关（r=-0.92）。

3.4 颗粒类型的差异
铝颗粒因高导热性（237 W/(m·K)）促进早期壳层形成，而硼颗粒（27 W/(m·K)）延迟微爆发生。在1.0 MPa下，20B液滴的燃烧速率比20Al低15%，但硼的更高体积热值使其在完全燃烧时释放能量多12%。

研究创新性提出高压下凝胶燃料的四阶段燃烧模型：稳定燃烧→颗粒壳形成→团聚体点火→熔融颗粒燃烧。该模型揭示颗粒壳（而非微爆）是高压环境下的主导增强机制，为发动机燃烧室设计提供了关键参数优化方向。例如，20 wt%铝凝胶在0.5 MPa下的燃烧效率比传统燃料提升8.4%，但需配合延长燃烧室长度（>1.2倍）以确保颗粒完全燃烧。这些发现解决了高能燃料在高压环境中组织高效燃烧的核心难题。