在不同环境条件下，利用非接触式光学诊断技术研究天然硼颗粒团的燃烧特性

《Fuel》：Combustion characteristics of natural boron agglomerates via non-contact optical diagnostics under different environmental conditions

　　赵木丽|林尧张|刘莉|常星|邱鹏华|孙少增|彭江波|余欣
哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001，中国

**摘要**
硼具有优越的重量能量密度和体积能量密度，但其实际应用常常受到复杂点火机制和颗粒团聚的限制。本研究使用温度可控燃烧系统研究了自然团聚的硼粉的燃烧动力学。开发了一种非接触式光学诊断方法，结合灰度分析和伪彩色温度测量技术，用于量化点火延迟、发光强度和空间温度分布。实验在不同的初始温度（900°C、1000°C和1100°C）和富氧环境（60%、70%、80%、90%、100% O2）下进行。结果表明，提高初始环境温度显著缩短了点火延迟时间，而氧浓度是燃烧强度和持续时间的主要驱动因素。具体来说，将氧浓度从60%提高到100%导致燃烧持续时间减少了四倍，并且发光强度显著增加。这些发现为温度和氧化剂浓度对硼动力学的影响提供了关键见解，并展示了数字成像诊断在优化基于硼的推进系统中的实用性。

**1. 引言**
由于硼具有优越的重量能量密度和体积能量密度，它作为金属粉末燃料受到了广泛关注。其质量能量密度远超过传统金属燃料，约为镁的2.3倍，铝的1.9倍[1]、[2]、[3]、[4]。尽管具有这种潜力，但由于其复杂的点火机制，硼的实际能量释放受到严重限制。颗粒核心被一层硼氧化物（B2O3）壳包裹，这阻碍了氧的扩散并延迟了点火，直到高温促进氧化物蒸发[5]。硼-氧反应是含硼燃料中能量释放的主要机制[6]。因此，系统研究不同氧浓度和温度下硼的燃烧特性对于性能优化和提高能量利用效率至关重要。

虽然单个硼颗粒的燃烧已经得到了广泛建模[7]、[8]、[9]、[10]，但实际的推进系统不可避免地涉及颗粒聚集。在储存和运输过程中，微米级的硼颗粒会自发聚集成松散的“自然团聚体”，这一过程归因于它们的高表面能以及范德华力和静电吸引力的主导作用[11]。在实际应用场景中，如基于硼的固体燃料冲压发动机（SFRJ）和固体火箭发动机（SRM），硼很少以孤立的单个颗粒形式进入燃烧流场。在固体推进剂粘合剂的热解过程中，初级硼颗粒通常会聚合并以大的多孔团聚体形式从燃烧表面喷出[12]。此外，这些自然团聚体经常在低速循环区或后部混合室中积聚，这从根本上决定了整体燃烧效率，并显著导致两相流动损失和渣沉积[13]。

这些团聚体的燃烧动力学与孤立颗粒有根本不同，因为它们具有集体的热传递和间隙内的氧气扩散受限。与之前研究中使用的人工压制颗粒或预处理团聚体[14]、[15]、[16]不同，自然团聚体代表了这些发动机流场或“烹饪”场景中燃料的实际情况。

最近的研究开始揭示硼团聚体燃烧的复杂动态。段等人[17]最近可视化了燃烧硼团聚体内部气泡的形成及其随后的微爆炸，揭示了内部气体生成在破碎熔融氧化物壳中的作用。同样，段等人[18]开发了一个零维模型，指出团聚体的点火延迟受氧化物蒸发和间隙孔隙闭合之间的竞争控制。现有的研究通常依赖于接触测量或像CO2激光这样的辐射加热源。然而，激光点火通常会产生陡峭的温度梯度和不均匀的表面加热，这可能会掩盖多孔团聚体的真实点火机制。因此，建立稳定的高温场可以有效避免方向性加热引起的人为干扰，从而能够使用非接触方法研究自然硼团聚体的燃烧过程。

硼团聚体的燃烧会产生强烈的热辐射，这些辐射来自凝聚相颗粒，遵循连续光谱，并叠加有特定的化学发光带（例如BO2）[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。伪彩色温度测量的最新进展已被证明有效用于表征金属火焰的瞬态温度场[24]、[25]、[26]、[27]。通过利用数字成像传感器的光谱响应，可以重建空间分辨的温度场，提供单点测量无法提供的见解。

本研究建立了一个固定的高温流动反应器来研究自然团聚的硼粉的燃烧动力学。开发了一种非接触式光学诊断方法，结合灰度分析和伪彩色温度测量技术，用于量化点火延迟、发光强度和温度分布。系统地改变初始环境温度（900–1100°C）和氧浓度（60–100%），以阐明环境条件对反应动力学的耦合效应。本研究的新颖之处在于应用数字图像处理技术来可视化和量化自然硼团聚体的燃烧过程，从而为高性能基于硼的推进剂的设计提供了新的实验基准。

**2. 材料和方法**
2.1. 材料和表征
本研究中使用的高纯度硼粉由河北成月金属材料有限公司提供。颗粒大小分布使用Malvern Mastersizer-2000激光衍射颗粒尺寸分析仪进行表征。在本研究中，“自然团聚体”指的是原材料中存在的预先存在的微观团聚体。如SEM图像（图1）所示，强烈的表面力（范德华力和静电力）导致这些颗粒自发形成松散、不规则的团聚体。中位颗粒直径（D50）为3.33 μm，详细的大小分布见图1(c)。对50 mg硼粉的未压缩后加载状态进行了表征，该粉末自然平铺在样品槽中（直径10 mm，深度1 mm，体积78.54 mm3）。SEM图像处理显示，2D微观孔隙率在60%到75%之间波动。宏观上，粉末的体积密度计算为0.637 g/cm3，相应的体积孔隙率为72.9%（基于理论真实密度2.35 g/cm3）。采用X射线衍射（XRD）相分析通过布拉格衍射现象研究晶体结构。使用XRD粉末衍射仪对硼粉的相组成进行了分析。XRD图案显示了包括B2O3和B6O晶体相在内的硼氧化物（见图2）。高纯度硼粉的硼和硼氧化物含量达到了99%的纯度水平。

**2.2. 设备和仪器**
实验装置示意图见图3。温度可控燃烧系统的核心组件是一个移动的水平管式炉子。在炉腔上方设置了一个观察窗口，用于实时监测和记录燃烧过程。通过密封法兰上的质量流量控制器调节石英管中的气体流量。在每次实验之前，将50 mg硼粉沉积在35 mm × 35 mm的碳化硅（SiC）基板上，该基板具有中央凹槽（直径10 mm，深度1 mm）。为了确保试验间的一致性同时保持粉末的松散状态，采用了标准化的加载协议：首先将精确质量的50 mg硼粉沉积到碳化硅（SiC）凹槽中，然后使用直边工具轻轻平整表面，使其与支架边缘齐平，不施加任何垂直压缩力。在粉末加载过程中始终保持严格的几何对齐。每次试验时，SiC基板始终位于相同的坐标位置。达到目标温度后，通过滑轮导轨机构快速移动炉子组件，使观察窗口与硼样品中心对齐。在我们的实验中，加热速率明确设置为20 °C/min。这是制造商为我们定制的滑动管式炉推荐的最佳值。结合智能模糊PID控制器，这一特定速率确保了±1 °C的出色温度控制精度，从而在200-mm恒温区内提供高度稳定的热环境。

硼粉的燃烧动力学使用配备Nikon AF-S VR Micro-Nikkor 105 mm f/2.8G微镜头的Nikon D7500相机捕获。视频采集参数设置为1080p分辨率，每秒60帧（fps）。为了减轻最大燃烧阶段产生的强烈发光引起的过度曝光，采用了f/3.5的光圈和1/8000 s的超快快门速度。相机以手动（M）模式运行，曝光补偿为?2.7EV，ISO灵敏度固定为100。

本研究的主要目的是研究不同环境温度和气体环境对硼粉点火和燃烧过程的影响。水平管式炉中心区域的温度通过热电偶和精密温度控制器进行调节。实验前，系统被热调节到三个目标温度：900 °C、1000 °C和1100 °C。气体环境通过质量流量控制器配置，建立O2/N2混合物，氧浓度分别为60%、70%、80%、90%和100%。所有实验试验中的总气体流量固定为2 L/min。

**2.3. 可见图像处理**
数字图像处理能够从火焰图像中提取关键的燃烧特征，便于深入分析燃烧机制和潜在机制。基于火焰图像采集和处理的数字技术在燃烧科学中获得了越来越多的研究关注[28]。定量火焰图像分析可以提供全面的燃烧状态信息[29]。火焰特征可以通过数字处理算法直接从捕获的图像中提取。实验捕获的图像代表了三维火焰结构的二维投影。因此，每个视频序列构成了一个具有时间（时间轴）和空间（x-y坐标）维度的三维矩阵[30]、[31]。每个像素是一个介于0到255之间的整数值，对应于特定空间-时间坐标处的入射辐射强度。像素级灰度变化的时间序列数据形成了后续燃烧分析的基本数据集。具有M × N像素分辨率的燃烧图像包含每个像素坐标（i, j）的RGB三色分量。灰度转换通过RGB通道积分得到像素（i,j）的强度值X(i,j) ∈ [0,255]。本研究定量分析了各种条件下的燃烧图像中的发光强度（Lf）——定义为发光区域内的平均灰度值。参数Lf作为光度指标，其中较高值对应于更高的火焰亮度。相对于系统饱和度水平（灰度255）进行归一化，Lf值的范围是0到255。量化公式如下：
(1) Lf = 1/N·∑i=1N∑j=1Mxi,j

这种光度参数为评估火焰亮度特性和分布均匀性建立了定量基础，使得燃烧状态和性能指标的高级分析成为可能。

光谱温度测量是一种基于加热对象的热辐射特性的非接触式温度测量技术。该技术通过目标对象的光谱特征分析实现温度反演。由于其固有的非侵入式测量能力，该方法在颗粒燃烧过程中保持了火焰结构的完整性。其理论上无限制的测量范围使其成为燃烧诊断中的重要温度测量方法。根据辐射源属性，光谱测量目标分为两类：气体辐射（例如，来自等离子体、自由基和反应中间体的荧光）和凝聚相热辐射。本研究中使用的伪彩色温度测量明确针对凝聚相硼团聚体发出的连续热辐射，即使在存在不连续气相化学发光的情况下也能实现有效的温度重建。在伪彩色温度测量[24]、[25]、[26]中，当高温源发出多色辐射时，相机颜色通道接收到的辐射强度可以与温度功能相关联。数学公式表示为：
(2) R = W∫350700rλελEλ,T
dλG = W∫350700gλελEλ,T
dλ
B = W∫350700bλελEλ,T
dλ
(3) W = kτS

在公式中，E(λ,T)表示黑体的单色辐射强度，λ表示波长，T表示温度。W表示取决于成像参数（包括采样区域和曝光时间）的接受功率损失函数。k表示仪器校准常数，τ是曝光时间，S是每个像素的空间分辨率。有关更详细的讨论，请参阅补充材料。

数字单反（DSLR）相机的光谱响应曲线位于350–700 nm范围内。库恩等人[32]提供了尼康D系列相机R/G/B通道的光谱响应曲线，证明这些通道对应不同的光谱带：B通道主要在450纳米附近传输光线，G通道主要在530纳米附近传输光线，而R通道主要传输波长大于560纳米的光线。因此，硼燃烧产生的光谱范围与DSLR相机的光谱响应范围非常匹配。加热颗粒的表观颜色完全取决于它们的发射光谱，而这又受到颗粒温度和发射率特性的影响。这为通过基于图像的伪彩色温度测量方法来测量颗粒温度奠定了基础。这些方程的数值解建立了色度-温度之间的相关性。实施这些解决方案可以实现燃烧图像的伪彩色映射，从而重建二维温度场，便于在全局和局部颗粒尺度上进行全面的热分析。

实验视频录制分辨率为1920×1080像素。考虑到碳化硅（SiC）基底在视频帧中的位置变化，硼粉始终固定在SiC基底的圆形凹槽内。视频帧被编程裁剪为300×300像素尺寸，确保燃烧区域完全包含在图像边界内。这种标准化程序保证了数据处理的一致性。为了全面分析不同条件下的硼燃烧特性，我们引入了一个关键的光学参数：燃烧图像的平均灰度值（Lf）。伪彩色温度测量方法是通过RGB通道分析同时实现的。这些参数是从实验记录的视频数据中计算得出的，详细的计算工作流程如图4所示。

实验的不确定性主要来源于以下几个方面：相机的时间分辨率为60帧每秒，导致帧间间隔为0.0167秒。这种最小的时间分辨率确保了实验测量中的系统误差可以忽略不计。

3. 结果与讨论
3.1 可见光图像处理
选定的图像序列被编译以在图6中表示燃烧过程。初始帧捕捉到了局部表面点的明显点火，随后火焰迅速向周围传播，直到整个表面都被点燃。在等温条件下，火焰传播速度随着氧气浓度的增加而单调增加。实验观察显示了一个一致的燃烧模式：优先在表面点火，随后火焰迅速向周围扩散，最终消耗掉整个可燃表面区域。在初始燃烧阶段，火焰呈现明亮的绿色。在60%的氧气浓度下，火焰从亮绿色转变为橙红色。氧气浓度越低，橙红色火焰持续的时间越长。绿色发射归因于中间产物BO2 [33]，[34]。BO2的发射光谱在546纳米处显示出峰值强度。图5展示了硼燃烧过程中典型的发射光谱，这与其他研究[19]，[35]，[36]的结果相似。

3.2 点火延迟和燃烧持续时间
为了系统地研究初始环境温度和氧气浓度对硼团聚体燃烧的影响，引入了两个关键参数：点火延迟时间（Td）和燃烧持续时间（Tc）进行定量分析[37]，[38]。本研究中的这两个关键时间参数定义如下：点火延迟时间（Td）是从将硼样品放入炉子（加热区）到第一帧显示出明显且持续的燃烧亮度（点火开始）的时间间隔。燃烧持续时间（Tc）是从建立持续火焰（点火延迟结束）到可见亮度完全消失（燃烧终止）的时间跨度。视频记录被数字化处理，以提取精确时间坐标下的燃烧图像用于后续分析。对这些图像序列之间的时间间隔进行计算分析，得出了定量的Td和Tc测量结果，并在图7和图8中以图形方式进行了总结。可以预测，较高的温度可以显著减少点火延迟时间，而增加的氧气浓度会缩短燃烧时间。图7和图8中的数据点代表了每种条件下三次独立重复试验的算术平均值。这些图中的误差条代表标准偏差（±1σ）。如图所示，误差条相对较小，表明尽管粉末燃烧具有固有的随机性，但我们的加载和加热协议实现了高实验重复性。

图2中的晶体学表征显示了原始硼粉中存在固有的氧化硼（B2O3）相。这种初始的氧化物含量与图7中观察到的点火延迟特性密切相关。理论上，硼的点火受到这种抑制性氧化物层的去除的控制，该氧化物层作为扩散屏障，阻止氧气到达元素硼核心。为了全面表征不同操作参数下的硼燃烧行为，引入了一个关键的光学指标：燃烧图像的平均灰度值（Lf）。这个参数是从实验记录的视频数据中计算得出的。在图9中，横轴表示时间进程，点火开始由第一帧显示出明显的燃烧亮度来定义。在等温条件下，最大的Lf值与氧气浓度的增加呈正相关，表明在较高氧气水平下燃烧活动加剧。在点火后的最初几秒内（对应于60帧每秒的60帧序列），随着氧气浓度的升高，Lf值呈现单调增加。

3.3 燃烧温度和动态
选择了三种氧气浓度（60%、80%和100%）在1000°C下，对燃烧温度和动态进行了详细分析。图10展示了三种氧气浓度下的最高温度、平均温度和可见光特性。其中温度是通过第2.3节中描述的伪彩色温度测量方法获得的。

在初始点火阶段（前几帧），火焰传播起源于离散点，然后向周围扩散。这一阶段观察到的明显绿色发光表明形成了中间产物BO2。最大温度和平均温度之间的差异相对稳定，从点火中心开始出现升高的温度梯度。在完全表面点火后，温度逐渐下降。在最初的0.083秒间隔内，增加的氧气浓度加速了火焰的径向传播速度。这定量证明了氧气富集增强了燃烧动力学。随着时间的推移，燃烧面积逐渐减小。可见光谱演变从最初的绿色发射发展为全表面燃烧时的强烈绿色发光，随后在火焰熄灭前转变为亮红色。

对于60%的氧气浓度，点火开始时的最大温度与平均温度之间的差异达到了360°C，随后增加并在稳定之前达到峰值。在80%的氧气浓度下，最大温度差异在局部点火时超过了400°C，在燃烧持续期间减少到220°C。100%的氧气浓度条件下的完全表面点火通过径向传播实现，火焰传播速度比低氧气浓度时更快。延长的绿色发射阶段伴随着燃烧不稳定现象。Glotov等人[39]发现，较高的氧气浓度会在硼团聚体中诱导喷射和微爆炸现象。当团聚体表面达到熔融状态同时保留内部B2O3沉积物时，就会发生这些现象。Duan等人[17]证明，在硼团聚体的燃烧过程中，气泡的成核、生长和聚合并达到临界尺寸会触发微爆炸（表现为熔融滴液的膨胀和破裂）。这些机制涉及熔融硼的推进和B2O3在间隙空隙中的膨胀，导致燃烧持续时间减少。在强烈的绿色发射阶段，最大温度与平均温度之间的差异保持在200°C以下。在绿色阶段结束后，温度梯度逐渐增强。随着燃烧强度和面积的减小，观察到了温度梯度的减小。值得注意的是，在100%氧气浓度条件下，由于燃烧过度曝光，图像无法准确测量温度，但它们在视觉上显示了硼粉更强烈的燃烧。

图11展示了在1000°C下不同氧气浓度下硼粉燃烧时的温度分布。在1000°C-60%O2条件下，初始点火显示出异质的热分布，中心有一个热热点。热量从中心区域逐渐扩散到可燃区域，随后温度下降。燃烧区域随后在点火温度以下减小，直到完全熄灭。1000°C-80%O2条件下的点火温度显著高于60%O2条件下的温度。形成了一个相对均匀的热核心，周围是温度较低的区域。点火后的热衰减在可燃区域内显示出增加的空间异质性。在中心热点和燃烧边缘之间持续存在明显的周向温度梯度。不规则形状的中心区域开始的逐渐温度减小最终导致了火焰的熄灭。这种不规则的热退缩模式被认为是由非球形的硼团聚体几何形状引起的。

在1000°C下100%O2条件下，燃烧显示出均匀的热分布，没有明显的中心-周边温度梯度。整个可燃区域保持了优越的热均匀性。燃烧区域的收缩在持续的高温度水平下发生，直到突然终止。在60%O2条件下，相对较低的氧气分压导致燃烧速率主要受到氧气通过气相边界层扩散到团聚体内部空隙的限制。因此，去除硼氧化物（B2O3）的过程进展缓慢，并表现出空间异质性。点火仅在氧化物层最薄的局部“热点”处开始，随后缓慢向外传播。这种燃烧模式导致显著的温度梯度，形成了一个热反应核心和较冷的未点燃周边区域的共存。根据Yeh等人[5]提出的燃烧模型，燃烧过程从扩散控制转变为化学动力学与氧化物层去除速率之间的竞争。因此，样品经历了全局同时点火，产生了图11中观察到的高度均匀的温度场。

图12展示了不同氧气浓度下的最高温度和平均温度。在不同氧气浓度下，最高温度显示出显著的分歧。在100%、90%和80%的氧气浓度下，最高温度上升至峰值，短暂稳定后突然下降。在70%和60%的氧气浓度条件下，温度峰值上升趋势减弱，随后在受限范围内振荡，最终与平均温度趋于一致。

这种趋同源于最高温度是所有像素中的最大值，而平均温度代表燃烧区域像素的算术平均值。随着燃烧区域的减小，温度剖面趋于均匀。平均温度的初始上升和随后的下降反映了火焰从局部点开始的逐步传播。这一阶段的显著温度波动与氧气浓度呈正相关。温度衰减率与氧气浓度呈正相关。稳定后的平台期之后是向上的拐点，最终导致最高温度和平均温度的趋同。拐点的斜率与燃烧区域的回归速度成反比。氧气浓度越高，燃烧消失得越快。平均温度曲线的平滑度是燃烧稳定性的指标，在100%氧气条件下观察到明显的振荡。在60%氧气的条件下，硼的燃烧持续了大约40秒，这比80%氧气条件下的燃烧时间延长了一倍，而相对于100%氧气条件则延长了四倍。4. 结论：本研究探讨了初始反应温度和氧气浓度对自然聚集的硼粉点火和燃烧特性的影响。通过数字图像处理，采用灰度分析和伪彩色温度测量方法来量化燃烧光强度和温度分布。实验结果表明，较高的初始反应温度显著缩短了点火延迟时间，而环境温度的变化对燃烧持续时间的影响可以忽略不计。当氧气浓度从60%增加到100%时，燃烧光强度大约增加了四倍，并且燃烧温度也显著升高。值得注意的是，随着氧气浓度的增加，燃烧持续时间从大约40秒减少到了10秒。灰度强度变化和伪彩色测温技术能够提供有关硼聚集体燃烧动态的有用信息；更重要的是，这种非接触式方法不仅适用于硼，由于它依赖于捕获凝聚相的热辐射，因此也非常适用于其他高能量金属燃料，如铝和镁。通过实现聚集体温度分布的现场监测，该技术为固体燃料研究提供了一种多功能工具，为优化高性能推进剂燃烧室的设计提供了关键见解。5. 作者在写作过程中使用生成式AI和Al辅助技术的情况：在准备这项工作时，作者使用了Deepseek工具进行语言润色。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。CRediT作者贡献声明：李兆木：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、正式分析；张林瑶：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论；刘莉：撰写——审阅与编辑、验证；邢昌：撰写——审阅与编辑、验证、方法论；邱鹏华：撰写——审阅与编辑、验证；孙绍增：验证、概念化；彭江波：项目管理、方法论；余欣：项目管理、概念化。