微米級單顆粒鋁粉加壓著火燃燒特性

秦丁益，楊 越，栗 晶，柳朝暉，秦 釗，儀建華

(1.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

鋁粉具有較高的體積和質量能量密度，能在提高固體推進劑比沖的同時增大推進劑的密度，目前被廣泛應用于航空航天及固體火箭推進劑等。但鋁粉顆粒在推進劑中的燃燒過程復雜且迅速，需要高溫高壓的極端環境，因此，還原鋁粉顆粒高溫高壓的燃燒環境，并示蹤其詳細的加壓著火燃燒過程，對充分解釋鋁粉燃燒釋能過程具有重要意義。

國內外學者對鋁粉顆粒著火燃燒過程的研究方法主要有熱分析法[1]、激光點火法[2]、激波管法[3]和平面火焰燃燒法[4]。其中，平面火焰燃燒器和激光點火裝置因其高溫、高顆粒升溫速率且過程易觀察等優點，更適合探究金屬顆粒的燃燒。Braconnier等[5]采用激光點火研究了粒徑30～130μm單顆粒鋁液滴在靜電懸浮下的燃燒過程，發現0.1～1MPa壓強和不同氣氛下鋁粉的燃燒特性差異較大。Lianbo.Li等[6]采用激光點火對鋁鎂復合推進劑及材料進行研究，認為隨著壓強從0.1～1.4MPa和氧氣濃度從0～40%的增加，點火延遲時間逐漸縮短，且壓強對點火延遲時間的影響小于氧濃度。馮運超等[7]通過平面火焰燃燒器探究了常壓下環境溫度對40～160μm單顆粒鋁粉著火燃燒過程的影響，并收集分析了燃燒產物的組分。通過顯微高速攝像直接拍照和激光全息法[8]等可以對顆粒燃燒過程的微觀形貌進行觀察，但由于鋁粉燃燒過程復雜而快速，尤其是小粒徑的微米級離散單顆粒，更難以精確捕捉每個過程的動態變化，且高精度的光學測量無論對硬件設施還是對圖像處理算法的開發都有很高的要求。

目前，已有的平面火焰燃燒器對單顆粒鋁粉的探究多集中于常壓環境，多側重于氧濃度及粒徑[7]變化等參數，對于加壓狀態下的研究多為瞬時激光點火裝置下對鋁粉堆積顆粒或鋁粉藥條等材料的燃燒，但顆粒之間的相互干擾會對其著火燃燒特性產生影響，缺乏離散單顆粒加壓著火燃燒特性(包括著火延遲及燃燒持續時間等)的定量實驗結果。此外，加壓密閉環境對光學診斷的準確性及實用性具有更大考驗，因此，目前對單顆粒著火燃燒，尤其是加壓條件下的單顆粒著火燃燒過程缺乏有效的研究手段，使得對于鋁粉的加壓著火燃燒特性及反應動力學的認識還存在很多不足，對于燃燒過程中的碰撞、團聚、爆裂等現象仍需要進一步深入研究。

基于此，本研究旨在構建新的可視化加壓Hencken平面火焰攜帶流反應系統，通過顯微高速攝像和單反長曝光拍攝相結合，探究加壓下微米級離散單顆粒鋁粉著火與燃燒的微觀過程，同時研究微米級離散單顆粒鋁粉的加壓著火燃燒特性，從而構建全新的、適用于加壓燃燒過程中金屬燃料理化特性演變過程檢測方法，探明金屬燃料釋能過程的物理、化學變化過程及相互耦合關系，以期能進一步解析金屬燃料詳細釋能過程。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用的鋁粉由上海水田科技有限公司提供，與目前文獻[7，9，10]實驗采用原料廠家一致。通過真密度檢驗、掃描電子顯微鏡(SEM)以及粒度分析等進行鋁粉物理特征參數實驗分析，其平均密度為2.71g/cm3，比表面積為0.0761m2/g，表面積平均粒徑D3,2為78.9μm。

1.2 實驗裝置與實驗條件

為模擬單顆粒鋁粉實際燃燒過程中高溫、高壓、高加熱速率的燃燒環境，搭建了基于平面火焰燃燒器的可視化加壓攜帶流反應系統[11]，如圖1所示。該系統可實現環境溫度1200～2400K、加熱升溫速率105～106K/s、壓強0.1～3.5MPa以及不同氧濃度范圍的O2/N2與O2/CO2氣氛。為實現單顆粒的燃燒方式，加壓攜帶氣流從裝置下方噴入料倉將鋁粉顆粒變為臨界流化態，隨后將離散顆粒自下而上帶入燃燒室，從而實現0.1～2g/h極小給粉量的精確控制；同時配備震動單元，通過震動壓電陶瓷高震蕩的方式，保證給粉的穩定性。

圖1 加壓平面火焰可視化實驗裝置Fig.1 Visualization experimental device of pressurized flat flame

經絕熱火焰溫度理論[12]計算得到不同工況氣氛配比，從上方取樣煙道正中插入定制的B型熱電偶，取11個高度點進行環境溫度測量，得到整個爐膛內的溫度沿高度的分布情況，經溫度修正后[13]，得到測溫曲線。

1.3 光學測量系統

自行搭建的光學測量系統采用高速攝像相機(型號Photron MiniAX200)配合長距離微距顯微鏡頭(型號Quester QM1)對顆粒進行連續拍攝，同時配備LED背光光源示蹤無自發光的未燃顆粒。配備一臺135mm鏡頭的單反相機(型號尼康D90)通過1s的曝光時間同步捕捉燃燒過程全貌。高速顯微測量系統最高可實現1μm/pixel分辨率下6400FPS的全幅拍攝速率，本實驗采用曝光時間為0.005ms和0.0625ms，光圈F2.8，分辨率4.35μm/pixel。燃燒特性參數的處理方式主要是基于自行開發的顆粒追蹤圖像高溫計(PTIP)[14]，結合顆粒追蹤(PTV)算法，實現離散單顆粒的連續追蹤：首先對圖片進行背景降噪過濾，識別出拍攝到的每一個顆粒，得到其灰度、尺寸及位置等信息；逐一選擇每一個顆粒，以此為起點，沿著流向(y方向)和法向(x方向)以其預估速度的最大值結合兩幀圖像間的時間間隔，畫出查問區間，投射到下一幀圖像中，框出的顆粒即為該顆粒在下一幀圖像中匹配的候選顆粒；逐一選取候選顆粒圖像與前一幀原始顆粒圖像進行互相關計算，互相關系數最大的粒子即為前一幀顆粒的匹配粒子。除此之外，由于鋁粉燃燒過程復雜，且會出現偏焦、重疊、破碎等現象造成統計誤差，因此，后續程序為顆粒追蹤技術中異常顆粒提取算法，可實現微米級單顆粒鋁粉著火燃燒過程的原位多參數準確測量，其中光斑尺寸測量誤差≤10.8%，速度測量誤差≤3.3%[11]。

1.4 單反相機圖像處理

單反相機拍攝的顆粒長曝光圖像如圖2(a)所示，轉為灰度圖2(b)后進行邊緣檢測開區間處理圖2(c)，隨后生成的二值圖經過二次膨脹填充復原2(d)便可得到清晰的顆粒燃燒軌跡，假設所得顆粒軌跡即為鋁粉著火后的燃燒過程。每個工況采集100～200張長曝光圖片，滿足統計樣本數量。

圖2 顆粒軌跡剝離方法Fig.2 Stripping methods of particle trajectories

2 結果與討論

2.1 實驗用鋁粉SEM圖像及熱電偶測溫校正結果

鋁粉顆粒掃描電鏡圖像如圖3所示。從圖3中可看出，所用鋁粉顆粒球形度與分散度較好，沒有明顯的團聚現象，但由于制備工藝影響，仍包含部分非球形顆粒及表面不光滑現象。

圖3 粒徑79μm鋁粉顆粒的掃描電鏡圖像Fig.3 SEM of aluminum powder with 79μm particle size

圖4為爐膛環境溫度曲線，由于給粉管出口處受中心低溫攜帶氣流影響較大，因此溫度略低，而在9～30mm處大致為鋁粉顆粒著火燃燒階段，此高度范圍溫度趨于穩定，認為環境溫度為該處平均溫度。隨后通過實測溫度對工況進行微調，最終確定不同氣體組分的配比及實際溫度如表1所示。

圖4 氣流溫度變化曲線Fig.4 The air flow temperature change curve

表1 實驗工況設置Table 1 Experimental conditions settings

2.2 鋁粉單顆粒著火-燃燒微觀過程

綜合顆粒位置與顆粒運動速度信息，可以將顆粒所在高度換算成相應的停留時間，將不同高度下典型的顆粒序列組合在一起，可獲得鋁粉“預加熱-著火-燃燒”全過程的顯微圖像序列。圖5所示為0.3MPa、20%氧濃度工況鋁粉單顆粒著火燃燒微觀過程示意圖。

圖5 鋁粉單顆粒著火-燃燒過程微觀形貌變化圖Fig.5 Microstructure morphology change diagram of aluminum single particle during ignition-combustion process

由圖5可知，No.1～19為預加熱熔融態，近似于液滴燃燒。典型顆粒見圖6(a)，為背光下真彩色微觀圖像；No.20處狀態變化明顯，顆粒光斑直徑與灰度驟增，產生鋁蒸氣火焰，著火過程開始，見圖6(b)；No.20～26過程中鋁蒸氣火焰直徑線性增大，灰度達到最大值；No.27～47氣相火焰直徑趨于穩定，此過程中氧化鋁層破裂，分散在鋁蒸氣火焰中的液相氧化鋁逐漸凝聚，見圖6(c)；No.48～66，當鋁液滴在高溫下不斷蒸發，和附著在其表面的凝聚的氧化鋁氧化帽形成蒸汽壓，從而導致高溫區的氧化帽破裂，聚集的鋁蒸氣向外噴射使鋁蒸氣火焰發生爆裂，光斑尺寸激增，鋁核暴露，瞬間發生劇烈反應，蒸汽向外噴射，在重力作用下受到扭矩產生旋轉，見圖6(d)～(f)；No.67～88時，旋轉后期鋁蒸氣火焰逐漸消失，鋁核逐漸反應生成氧化鋁，燃燒過程趨于平穩，隨著溫度降低，鋁核反應完全后，鋁粉顆粒燃燒過程至此燃盡結束。其中，No.71處，當燃燒過程接近結束后，根據顆粒形態及大小不規則地發生第二次爆裂或氧化鋁直接噴射后燃盡。結果表明，所有著火的鋁粉顆粒均會在燃燒前期，即鋁蒸氣火焰擴散后，發生爆裂及劇烈噴射，這是由于生成的氧化鋁不斷增多并聚集，當聚集到氧化鋁與鋁核接觸碰撞時，蒸汽氣壓達到極限從而爆裂。國防科技大學馮運超等[9]也曾提出過鋁粉顆粒的燃燒物理模型，認為在燃燒末期由于著火過程中顆粒表面覆蓋了大量氧化物形成氧化層，該氧化層對其內部高溫鋁液滴的沸騰和蒸發具有束縛作用，在燃燒過程中，當內部的鋁液滴掙脫其表面氧化層束縛并打破氧化層的包裹時，會發生微爆現象，本研究也可作為該模型的實驗驗證。因此，鋁粉著火-燃燒過程可分為4個階段：預加熱緩慢氧化階段、鋁蒸氣擴散劇烈燃燒階段、破碎爆裂旋轉加速階段以及燃盡階段。

圖6 鋁粉單顆粒著火燃燒微觀過程示例圖像Fig.6 Example images of microscopic process of ignition and combustion of single aluminum powder

2.3 壓強和氧濃度對鋁粉單顆粒著火延遲時間的影響

通過對高速相機圖片處理，得到0.1、0.3、0.5、0.7MPa下4個壓強梯度及20%、30%兩個氧濃度(體積分數)下鋁粉單顆粒燃燒過程顆粒速度與顆粒光斑直徑隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 顆粒速度和顆粒光斑直徑隨時間變化曲線Fig.7 Changing curves of particle velocity and particle spot diameter

為避免熱伴流氣體速度及顆粒攜帶流速度對結果產生影響，由圖7(a)可知，顆粒位于給粉管出口處的速度約為0.5～0.7m/s，各工況下基本保持一致。在著火瞬間，在氣流對燃燒顆粒的曳力作用下，由于表觀曳力系數增大，顆粒運動速度和氣流速度間的相對滑移變小，從而使得顆粒速度明顯增加。

不同氧濃度的各工況下，顆粒光斑直徑隨壓強變化出現明顯遞進梯度如7(b)所示。20%氧濃度下，隨著壓強升高，鋁粉顆粒著火延遲時間縮短，常壓下顆粒著火延遲時間約為21.25ms，而0.7MPa下著火延遲時間縮短至約10.75ms；同樣，30%氧濃度工況下，常壓下顆粒著火延遲時間約為19.67ms，而0.5MPa下著火延遲時間縮短至約14.86ms，此結果與先前Friedman等[4]的平面火焰燃燒實驗及模擬得到規律一致，該團隊在0.1及0.3MPa下開展了10～100μm鋁粉顆粒燃燒的實驗研究，發現鋁粉顆粒著火溫度近似為氧化層的熔點，且燃燒速率及著火延遲時間隨壓強升高而縮短，但該實驗壓強梯度有限且未得到微觀層面的進一步分析。此外，Lianbo.Li[5]也提到，隨著壓強增大，熱解氣的擴散速度減弱，擴散距離減小。同時，燃燒器近表面區域的氧濃度增加，燃燒反應更加強烈。綜合以上結果分析認為，造成該結果的原因大致為：一是隨著壓強增大，顆粒周圍的氣體的導熱系數增大，加速了周圍空氣的熱傳導;二是壓強增大后，火焰更加靠近燃燒器表面，增加了火焰下端的熱反饋。

圖8為0.5MPa相同壓強下，不同氧濃度下鋁粉顆粒速度和光斑直徑與同時段內微觀圖像對比圖。與20%氧濃度相比，30%氧濃度下顆粒速度出現兩次速度抬升。該結果表明，第一次速度增加時，顆粒光斑直徑未出現明顯變化，結合微觀圖像發現此階段未燃的鋁粉單顆粒從無自發光的狀態轉變成暗紅色熔融狀態，當溫度積累至一定值后鋁粉開始著火，此時鋁粉顆粒由固體迅速形成擴散的氣相火焰，光斑直徑線性增大，顆粒運動速度也出現激增，直至顆粒劇烈燃燒。王架皓等[15]曾通過熱重對鋁粉燃燒前期進行分析發現，微米級鋁粉顆粒著火前經歷一段熔融狀態的緩慢氧化過程，此過程可近似為液滴燃燒過程，鋁粉吸熱升溫融化成小液滴，引起表面氧化鋁層破裂，隨后鋁核蒸發后與燃燒氣進行反應形成鋁蒸氣開始著火階段。因此認為高氧濃度下的兩次速度增大對整體試驗結果無較大影響，該狀態下顆粒仍是未著火狀態，光斑直徑不會驟增。

圖8 0.5MPa下20%和30%氧濃度工況鋁粉燃燒階段劃分Fig.8 The combustion stages division of Al powder with 20% and 30% oxygen concentration at 0.5MPa

2.4 鋁粉單顆粒燃燒持續時間計算

由于鋁粉著火過程極其復雜，顆粒著火點位置受顆粒直徑及形態等變化影響較大，較難用短曝光的高速攝像捕捉出清晰的燃燒持續時間，因此，采用單反相機的長曝光拍攝進行輔助驗證測量。Yong Tang等[10]在常壓下對45μm和125μm單顆粒鋁粉進行研究，驗證了高速攝像和單反相機長曝光圖片處理的可行性。圖9為不同壓強及氧濃度下鋁粉燃燒過程長曝光圖像，統計結果如圖10所示。

圖9 長曝光處理后鋁粉顆粒燃燒運動軌跡Fig.9 Combustion trajectory of aluminum powder particles after long exposure treatment

由圖10可知，在0.1MPa至0.5MPa及20%～30%氧濃度下，鋁粉顆粒的著火延遲時間分別為21.91、20.24、17.38、16.75、13.33和11.54ms，燃燒持續時間分別為4.85、5.24、6.01、6.26、8.05和8.21ms。表2為著火延遲時間及燃燒持續時間結果與圖7所示結果的對比，藍色背景表示壓強影響下差值比，橙色背景表示氧濃度影響下的差值比，結果表明，壓強升高對著火延遲時間及燃燒持續時間的影響比氧濃度的影響作用更大。

圖10 鋁粉顆粒著火延遲時間及燃燒持續時間統計結果Fig.10 Statistical results of ignition delay time and combustion duration of aluminum particles

表2 著火延遲時間及燃燒持續時間結果匯總Table 2 Summary of the ignition delay time and the durationresults

由表2可見，隨著壓強和氧濃度的升高，鋁粉顆粒的著火延遲時間均縮短，而燃燒持續時間均增大。鋁粉顆粒劇烈燃燒時期，液相氧化鋁液滴隨溫度升高不斷蒸發，蒸氣壓也隨之升高，當環境壓強升高后，附著在鋁核表面的氧化帽需要更大的壓強進行破裂噴射，因此導致燃燒持續時間短暫延長[12]。鄧哲[16]、Prentice[17]和Yunan.Zhou[18]等通過實驗均得到了氧濃度對鋁粉燃燒性能的影響，同樣證明，氧濃度越高，鋁粉的著火延遲時間縮短。由于燃燒過程由Al和O的擴散控制，O在高氧氣氛中擴散較快，因此，隨著氧濃度的增加，著火溫度降低，更有利于鋁粉顆粒的著火。同時，環境氧含量相同時增加壓強實際增加了氧濃度，燃燒時反應更劇烈，致火焰溫度升高，所以環境壓強與環境氧含量之間的關系呈正相關[19]。此外，環境中氧含量的增加使得鋁顆粒周圍氣相燃燒火焰燃燒溫度升高，蒸汽層破裂需要更多的化學反應能量，因此造成了燃燒持續時間的延長。

3 結 論

(1)基于平面火焰燃燒器的可視化加壓攜帶流反應系統，開發了一套離散單顆粒鋁粉的圖像處理方法，實驗發現鋁粉顆粒著火-燃燒過程可分為4個階段：預加熱緩慢氧化階段、鋁蒸氣擴散劇烈燃燒階段、破碎爆裂旋轉加速階段以及燃盡階段。

(2)高溫高加熱速率下，微米級離散鋁粉著火燃燒存在二次爆裂行為：隨著鋁液滴在高溫下不斷蒸發和覆蓋在表面的氧化帽形成逐漸升高的蒸汽壓，從而導致高溫區的氧化帽破裂，聚集的鋁蒸氣向外噴射發生第一次爆燃，該爆裂導致了鋁粉顆粒的旋轉燃燒；燃燒后期，表面的氧化鋁逐漸燃盡后，包覆的鋁核暴露升溫產生第二次爆裂，該爆裂則促進了鋁粉顆粒迅速燃盡。

(3)壓強和氧濃度升高，使得燃燒器近表面區域的氧濃度增加，燃燒反應更加強烈，燃燒溫度隨之升高，對顆粒旋轉速度進行促進，因此壓強和氧濃度增大縮短了鋁粉顆粒的著火延遲時間，且受壓強的影響更明顯。

(4)壓強的升高抑制了氧化帽的爆裂噴射，氧濃度的增大使得氧化層厚度加厚，均延長了鋁粉燃燒階段的時間，因此鋁粉顆粒的燃燒持續時間隨壓強和氧濃度的增大而增大，且同樣受壓強的影響更明顯。但從燃燒總時間看來，壓強和氧濃度的升高加快了整個鋁粉顆粒的燃燒進程，提高了燃燒效率。