单颗镁颗粒受控温和燃烧过程中火焰与氧化外壳的动态演变机制

《Combustion and Flame》：Flame and oxide shell dynamic evolution mechanism during the controlled mild combustion of single magnesium particles

　　

摘要

镁(Mg)具有高反应活性，但传统的自持燃烧往往导致危险的飞溅和氧化物团聚，造成严重的发动机壁面侵蚀。为实现安全有序的能量释放，本研究探讨了受控温和燃烧模式下表面氧化壳层的动态演变。采用甲烷火焰调制装置，结合同步高速相机、红外相机和光纤光谱仪，系统研究了有效氧浓度、气体流速和氧燃料比的影响。结果表明，Mg蒸发和气相氧化反应强度与有效氧浓度及气体流速呈正相关。过高的气体流速会引起氧化壳层高温烧结，限制内部Mg蒸气逸出并缩小气相火焰区域。较低的氧燃料比可提供更高的甲烷火焰温度，进而引发MgO烧结，抑制无序蒸气扩散，显著提高燃烧稳定性。基于这些发现，建立了一个综合物理模型，阐明了有效氧浓度、气体流速和氧燃料比如何共同调控氧化壳层的结构演变，从而实现Mg颗粒的受控燃烧。本研究揭示了氧化镁壳层动态演变机制与燃烧稳定性之间的内在联系，为优化受控Mg燃烧和保障推进系统安全提供了理论基础。

引言

镁(Mg)具有低点燃温度、高反应活性和高燃烧效率等优点[1,2]，被广泛应用于推进系统[3,4]。例如，在冲压发动机中，即使在低氧燃料比(摩尔比)条件下也能实现完全燃烧[5,6]。在粉体燃料冲压发动机中，镁可以两相流形式进入预燃室并与冲压空气直接反应[7]。此外，镁还被认为是有前景的未来深空探测任务新型能源载体[[8], [9], [10]]。

镁在燃烧过程中极易发生熔融镁飞溅和氧化物团聚等现象[[11], [12], [13]]。在实际应用中，这些问题会严重侵蚀发动机壁面，从而对推进系统的运行安全构成重大威胁[14,15]。鉴于镁燃烧的安全性和稳定可控性与其氧化产物的演变密切相关，深入研究氧化壳层的形成和演变机制对于实现受控镁燃烧和保障推进系统安全运行至关重要[16,17]。

关于镁的燃烧特性已进行了大量研究[[18], [19], [20]]。例如，Zheng等人[21]证明了在Mg/PTFE推进剂中，减小Mg粒径可使燃烧速率提高三倍以上，并使火焰温度提高约443 K。Liao等人[22]发现，球形镁粉与较大粒径的粗粉相比，显著提高了推进剂的燃烧速率和压力指数。此外，Sergio等人[23]报道了镁粉在富氧环境下燃烧会产生更高的火焰温度。

然而，这些研究主要关注提高燃烧效率，忽略了镁燃烧不稳定性可能对推进系统安全构成重大威胁这一事实。现有研究[24]表明，氧化壳层的结构会影响镁颗粒的燃烧模式。因此，迫切需要研究燃烧过程中氧化镁壳层的演变机制，以实现受控且稳态的燃烧。

本研究设计并建造了一种利用甲烷火焰调制的实验装置，以研究单颗Mg颗粒的稳态燃烧。通过调节气体流速(4.3–10.9 cm/s)、有效氧浓度(X_eff，16%–20%)和氧燃料比(2–2.9)，建立了多种燃烧环境，从而实现对Mg颗粒燃烧行为的有效控制。采用高速相机、红外(IR)相机和光纤光谱仪同步监测火焰形态、壳层温度场和产物发射光谱。阐明了氧化镁壳层从多孔堆积到高温烧结的演变机制，并基于实验结果提出了一个物理模型。本研究为优化镁颗粒燃烧调控和实现受控稳态燃烧提供了重要的基础实验依据。

章节摘要

实验材料

实验中使用的气体为甲烷(CH₄)、氮气(N₂)和氧气(O₂)，纯度均为99.9%，由中国南京海润工业气体有限公司生产。使用由中国河北清河鼎元金属制品有限公司提供的高纯Mg颗粒，纯度为99.9%，平均直径为3 mm。钨丝纯度为99.9%，长度为6 cm，直径为0.5 mm，由中国泉州佳泰新材料有限公司提供，用作

点燃与燃烧过程

分析了不同工况下单颗Mg颗粒的点燃和燃烧过程。结果表明，所有工况均表现出相似的燃烧过程。此处以工况3作为代表性示例进行详细说明。如图4所示，MATLAB算法检测到Mg颗粒火焰前的一个帧被定义为时间零点(t = 0 s)。

在点燃阶段(图4(a)(b))中，白色方框指示的

结论

本研究系统地研究了甲烷火焰调制下单颗Mg颗粒受控温和燃烧过程中Mg氧化壳层的动态演变机制及其对燃烧稳定性的内在影响。主要发现如下。

• 1)
  Mg颗粒的燃烧过程分为三个阶段：点燃、气相燃烧和熄灭。在点燃阶段，内部Mg蒸气压力迅速上升并破裂初始氧化层，导致

CRediT作者贡献声明

Wangzi Xu：撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，调查研究。Daolun Liang：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Shan Wang：撰写 – 审阅与编辑，概念化。Weijuan Yang：监督，形式分析。Xiaowu Zhang：可视化，形式分析，数据整理。Binghong Chen：可视化，验证。Heping Li：监督，数据整理。Huilong Zheng：形式分析，数据

Wangzi Xu|Daolun Liang|Shan Wang|Weijuan Yang|Xiaowu Zhang|Binghong Chen|Heping Li|Huilong Zheng|Junhu Zhou