高能凝胶燃料燃烧过程中铝颗粒及悬浮液滴的行为

《Fuel Communications》：Behavior of aluminum particles and suspended droplets combustion of energetic gel fuel

能量凝胶燃料中铝颗粒的燃烧模式及机理研究。通过单滴燃烧实验分析不同铝颗粒尺寸（50-1000nm）和添加量（0-25%）对燃烧过程的影响，发现铝颗粒存在溅出燃烧和凝聚燃烧两种模式，前者伴随高频低强度微爆炸（燃烧时间<0.75s/mm2），后者形成自维持燃烧（温度达1300-1400℃），燃烧效率随纳米铝添加量增加而降低（52.05%-77.9%）。

　　在航空推进技术飞速发展的背景下，对高推重比和长续航能力的需求不断增长，传统液态碳氢燃料（如RP-3、JP-10等）的能量密度瓶颈日益显现。为应对这一挑战，研究人员开始探索添加高能颗粒（主要为金属颗粒）和添加剂（如凝胶剂和表面活性剂）的新型高能燃料，即高能凝胶燃料。这类燃料通过凝胶网络结构提升了能量密度，同时有效抑制了颗粒沉降和燃料蒸发，结合了固态和液态推进剂的优点，被视为下一代高能推进剂的理想候选材料。然而，其复杂的多相燃烧机制仍是一个亟待解决的难题。

为了更好地理解高能凝胶燃料的燃烧特性，研究者们广泛采用单滴燃烧实验方法。这种方法为研究喷雾燃烧和发动机内部燃烧过程提供了可控的实验环境，有助于分离和分析诸如微爆现象、金属颗粒行为及内部传热等基础机制。早期的实验工作主要集中在凝胶燃料滴和含金属颗粒的纳米流体燃料的燃烧行为上，揭示了诸如表面壳层形成、微爆效应以及颗粒类型、尺寸和浓度对燃料滴点火和燃烧动力学的影响。近年来，研究重点进一步深入，分析了金属颗粒在凝胶燃料系统中的物理化学相互作用及其对燃烧增强机制的贡献。

尽管已有大量研究聚焦于高能燃料滴的整体燃烧特性，但对金属颗粒燃烧行为的关注仍相对有限。事实上，金属添加剂的充分燃烧对于燃料整体能量释放至关重要，也是实现高能凝胶燃料工程应用中的关键问题。研究表明，金属颗粒的引入可能对实际发动机性能产生负面影响，这与颗粒在输送管道中的沉积、燃烧过程中颗粒的聚集以及氧化层的累积密切相关。因此，抑制金属颗粒的聚集、优化其燃烧效率成为提升高能凝胶燃料性能的重要方向。

为了进一步探究金属颗粒的燃烧机制及其对凝胶燃料滴的影响，本研究采用单滴燃烧实验方法，在常温常压条件下对含有不同尺寸和添加量的铝（Al）颗粒的高能凝胶燃料滴进行了系统研究。实验中，Al颗粒的尺寸范围从50纳米到1微米，添加量从0%到25%不等。研究重点在于分析Al颗粒在凝胶燃料滴中的燃烧模式，包括微爆燃烧和聚集燃烧，并探讨这两种燃烧模式对燃料滴整体燃烧过程的影响。通过实验数据，研究人员揭示了Al颗粒在燃烧过程中的关键行为及其对燃料能量释放的贡献。

实验结果表明，Al颗粒的燃烧模式主要分为两种：微爆燃烧和聚集燃烧。当微爆燃烧为主要模式时，其表现出高频、低强度的特点，燃烧时间占整体燃烧时间的40%-60%。此时，燃料滴内部的温度通常低于600°C，不足以引发聚集燃烧，导致燃料滴的整体燃烧时间通常小于0.75秒/平方毫米。而当聚集燃烧成为主导模式时，微爆现象则表现出低频、高强度的特征。Al颗粒在燃烧后期能够实现自持燃烧，聚集温度可达到1300-1400°C，燃烧时间显著延长，超过1.05秒/平方毫米。这种燃烧模式的变化不仅影响燃料滴的燃烧特性，也对整体能量释放效率产生重要影响。

进一步分析显示，Al颗粒的燃烧效率受到其添加量和尺寸的显著影响。随着Al添加量从5%增加到25%，纳米Al（50纳米）的燃烧效率从77.9%下降至52.05%。这表明纳米Al在燃烧过程中可能因某些物理化学机制导致燃烧不完全。相比之下，1微米尺寸的Al颗粒在15%添加量时燃烧效率仅为9.33%，显示出其燃烧性能远不如纳米Al。然而，纳米Al的高活性促进了其在聚集状态下的燃烧，从而提高了整体燃烧效率。这种现象可能与纳米Al的表面积大、反应活性强以及在燃烧过程中与凝胶基质之间的相互作用有关。

此外，实验还发现，Al颗粒的燃烧模式对凝胶燃料滴的燃烧行为具有显著影响。微爆燃烧主要发生在燃料滴的早期阶段，此时Al颗粒在凝胶基质中以分散状态存在，燃烧过程主要依赖于表面反应。而聚集燃烧则主要发生在燃烧的后期，此时Al颗粒由于热效应或化学反应逐渐聚集，形成更大的燃烧单元，从而提高了燃烧效率和热释放速率。这两种燃烧模式的交替出现，可能与Al颗粒在凝胶基质中的分布状态、热传导路径以及燃烧环境的热力学条件密切相关。

值得注意的是，Al颗粒的燃烧效率与凝胶燃料滴的燃烧特性之间存在复杂的相互作用。在微爆燃烧阶段，Al颗粒的燃烧主要受控于燃料滴表面的氧化反应，而聚集燃烧则更多依赖于颗粒内部的热解和氧化过程。这种差异导致了不同燃烧阶段的燃烧效率变化，进而影响了燃料滴的整体燃烧行为。研究还发现，Al颗粒的添加量和尺寸对燃烧过程中的微爆频率和强度具有显著影响。纳米Al颗粒由于其较高的反应活性，在微爆燃烧阶段表现出更高的频率和较低的强度，而较大尺寸的Al颗粒则可能因热传导效率较低而导致微爆频率减少，但单次微爆的强度增加。

在燃烧后期，Al颗粒的聚集燃烧对燃料滴的热释放和燃烧持续时间产生了重要影响。当Al颗粒能够实现自持燃烧时，其燃烧过程不再依赖于外部供氧，而是通过自身的氧化反应持续释放能量。这种燃烧模式不仅提高了燃料的整体能量密度，还增强了燃烧的稳定性。然而，Al颗粒的聚集燃烧也可能带来一些挑战，如颗粒间的热传导不均可能导致局部过热，从而影响燃烧效率和安全性。

为了进一步优化Al颗粒的燃烧性能，研究者们尝试了多种方法，包括调节氧气分压、添加金属氢化物以及对颗粒或基液进行表面改性。这些方法旨在抑制Al颗粒的聚集，提高其燃烧效率，并减少氧化层的形成。然而，这些方法在实际应用中仍面临诸多技术难题，如如何在保持高能量密度的同时避免颗粒沉积和氧化层累积，以及如何在不同燃烧条件下实现Al颗粒的最佳燃烧模式。

综上所述，本研究通过单滴燃烧实验方法，系统分析了Al颗粒在高能凝胶燃料滴中的燃烧行为及其对燃料整体燃烧性能的影响。实验结果揭示了Al颗粒在不同燃烧阶段的燃烧模式，并明确了微爆燃烧和聚集燃烧对燃料滴燃烧过程的主导作用。同时，研究还发现Al颗粒的尺寸和添加量对燃烧效率具有显著影响，纳米Al颗粒因其高活性在燃烧过程中表现出更高的效率，而较大尺寸的Al颗粒则可能因燃烧模式的改变而导致效率下降。这些发现为优化高能凝胶燃料的燃烧性能提供了重要的理论依据和实验数据支持，也为未来的工程应用奠定了基础。