楊海濤, 陳 雄, 相恒升, 鞏倫昆, 黃 波

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Solid Fuel Ramjet,SFRJ)具有結(jié)構(gòu)簡單、比沖高、使用安全等優(yōu)點(diǎn),是一種具有廣闊應(yīng)用前景的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)[1]。當(dāng)前,SFRJ技術(shù)研究中應(yīng)用的固體燃料主要有聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚乙烯(Polyethylene,PE)和端羥基聚丁二烯(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene,HTPB)等碳?xì)漕惞腆w燃料和含有顆粒(金屬顆粒鋁、鎂和非金屬顆粒硼等)的貧氧推進(jìn)劑。對(duì)固體燃料點(diǎn)火和燃燒性能進(jìn)行研究,對(duì)于揭示固體燃料的點(diǎn)火和燃燒機(jī)理、推動(dòng)固體燃料的工程應(yīng)用和研發(fā)新型固體燃料具有非常重要的意義。

從20世紀(jì)60年代至今,已經(jīng)有國內(nèi)外專家對(duì)固體燃料的點(diǎn)火性能進(jìn)行了相關(guān)研究[2]。Zarzecki等[3]對(duì)PMMA在低壓和低氧濃度環(huán)境中的燃燒特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明: 環(huán)境壓強(qiáng)為0.018～0.1 MPa、環(huán)境氧濃度為12%～21%時(shí),PMMA的燃速受環(huán)境壓強(qiáng)的影響較小,且與環(huán)境壓強(qiáng)和環(huán)境氧濃度都呈指數(shù)關(guān)系,但在低壓環(huán)境中對(duì)流換熱損失減少,使點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短。Hedman[4]采用激光作為點(diǎn)火源,對(duì)添加了炭黑、金屬顆粒和少量氧化劑的HTPB燃速進(jìn)行了研究,結(jié)果表明: 在燃料表面,金屬顆粒出現(xiàn)了燒結(jié)現(xiàn)象,炭黑會(huì)出現(xiàn)積聚現(xiàn)象,燃料表面分解層的組分是影響燃速的主要因素。聶芝俠等[5]研究了不同組分的鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的燃燒性能,結(jié)果表明: 燃速隨氧化劑高氯酸銨(Ammonium perchlorate,AP)粒度的增加而增加,隨氧化劑高氯酸鉀(KP)含量的增加而減少,金屬含量對(duì)燃速的影響較大,而金屬M(fèi)g/Al含量的比值對(duì)燃速的影響較小。王鴻美等[6]研究了激光點(diǎn)火方式對(duì)硝酸酯增塑聚醚(NEPE)高能固體推進(jìn)劑在不同點(diǎn)火熱流密度情況下的點(diǎn)火性能,結(jié)果表明: 在熱流密度小于6.7×105W·cm-2時(shí),點(diǎn)火延遲時(shí)間隨熱流密度的增加明顯縮短,而熱流密度大于該值時(shí),點(diǎn)火延遲時(shí)間受熱流密度的影響很小。

固體燃料PE具有力學(xué)性能好、機(jī)械加工性能優(yōu)、化學(xué)穩(wěn)定性高、成本低廉等一系列特點(diǎn),而且燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水,增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身性,在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于SFRJ燃燒機(jī)理研究[7-10]。但是固體燃料PE在SFRJ中燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火困難、燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象。根據(jù)Metochianakis等[11]的研究,SFRJ工作過程中,通過輻射傳熱反饋到固體燃料燃面的熱量至少占總反饋熱量的15%,而炭黑(Carbon Black)是一種典型的增強(qiáng)輻射吸熱系數(shù)的固體可燃物。在固體燃料PE中添加炭黑,是一種提高火焰對(duì)燃燒表面的熱反饋強(qiáng)度、增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性的重要措施。國內(nèi)外在該方面的研究很有限,不能清晰地揭示炭黑對(duì)固體燃料點(diǎn)火和燃燒性能的影響。為此,本研究設(shè)計(jì)并加工了固體燃料加工裝置和樣品藥柱加工裝置,制備了不同炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固體燃料藥柱,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),揭示了固體燃料PE的點(diǎn)火機(jī)理,并進(jìn)一步研究了炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)固體燃料點(diǎn)火和燃燒性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)用樣品的組分配比見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的組分配比

Table 1 Composition ratio of experimental samples

samplemassfraction/%HDPEcarbonblackdensity/g·cm-3densitystandarddeviation/g·cm-3S110000．9660．008S29550．9770．011S390100．9910．005S480201．0160．006S570301．0510．006S660401．0870．009S750501．1220．011

樣品中使用的聚乙烯粉為美國?？松梨诠旧a(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)牌號(hào)HMA-018,粒徑100目(154 μm); 炭黑為天然棗木炭粉,使用200目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩分樣,保證炭黑粒徑小于200目(74 μm)。樣品制備時(shí),將HDPE粉和炭黑放入V型雙臂混料機(jī)中均勻混合,然后放入加工模具(如圖1a所示)中,將模具放在恒溫熔錫爐中恒溫225 ℃保持30 min,將模具取出放在壓力機(jī)中,恒定施加3 MPa的壓力30 min,最后進(jìn)行退模,取出成型的固體燃料。固體燃料冷卻至常溫后,使用車床將固體燃料加工成尺寸為Φ24 mm×6 mm的柱狀,然后使用樣品加工沖頭(如圖1b所示)將固體燃料加工成Φ5 mm×6 mm的柱狀樣品(如圖1c所示)。對(duì)所加工的固體燃料進(jìn)行了密度測量,結(jié)果如表1所示,計(jì)算了各組分配比固體燃料密度的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果表明各組分固體燃料密度標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.011 g·cm-3。

a. mold b. punch c. solid fuel and samples

圖1 樣品加工模具和樣品藥柱

Fig.1 Sample processing mold and sample grain

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由CO2激光器、燃燒室、光路裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置組成,其組成示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of experimental device

CO2激光器作為點(diǎn)火源,出光功率可調(diào),光斑直徑為3.7 mm。燃燒室為102 mm×120 mm×240 mm的立方體空腔,前后兩側(cè)有40 mm×70 mm的鋼化玻璃視窗,頂部有一個(gè)直徑為20 mm的通光孔,配合光路系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光光斑直徑; 燃燒室和高壓氣瓶相連,通過調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)的充氣量調(diào)節(jié)燃燒室壓強(qiáng),壓強(qiáng)數(shù)值在減壓閥表盤上讀取?？刂葡到y(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件和控制卡組成,通過控制系統(tǒng)控制激光加載功率和加載時(shí)間?？紤]到激光傳播過程中激光能量的損耗,每次實(shí)驗(yàn)前使用CO2激光功率計(jì)對(duì)激光功率進(jìn)行標(biāo)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩個(gè)光電二極管、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。兩個(gè)光電二極管分別采集激光出光信號(hào)和固體燃料火焰信號(hào),信號(hào)放大器將兩路信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并放大。高速攝影儀以240 fps的幀頻記錄實(shí)驗(yàn)過程。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

對(duì)表1中7種樣品在0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 MPa的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),共35組實(shí)驗(yàn)工況,每組實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求平均值。

在使用高速攝影儀拍攝錄像時(shí),將發(fā)光二極管(LED)放入拍攝視窗內(nèi)。當(dāng)激光開始加載時(shí),光電二極管將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并經(jīng)過放大電路輸出給發(fā)光二極管,發(fā)光二極管發(fā)光并被高速攝影儀捕捉,將此時(shí)刻定義為實(shí)驗(yàn)過程的零時(shí)刻。

在測量點(diǎn)火延遲時(shí)間時(shí),將激光加載功率設(shè)定為260 W·cm-2,兩個(gè)光電二極管分別對(duì)激光加載信號(hào)和固體燃料火焰信號(hào)進(jìn)行采集,并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)顯示在計(jì)算機(jī)上。定義固體燃料初始火焰信號(hào)與激光初始加載信號(hào)的時(shí)間差為固體燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間。圖3為固體燃料點(diǎn)火過程電壓信號(hào)曲線(實(shí)驗(yàn)樣品為S5,環(huán)境壓強(qiáng)為0.3 MPa),其中橫軸表示時(shí)間t,縱軸表示傳感器測得電壓U,可準(zhǔn)確讀出固體燃料初始火焰時(shí)間與激光初始加載時(shí)間,測得點(diǎn)火延遲時(shí)間為173 ms。

圖3 固體燃料點(diǎn)火過程的光電信號(hào)

Fig.3 Photoelectric signal of solid fuel ignition process

在測量固體燃料的燃速時(shí),有部分炭黑積聚在固體燃料燃面形成炭黑層,所以燃速計(jì)算采用質(zhì)量燃速。在實(shí)驗(yàn)過程中,控制系統(tǒng)接收到固體燃料火焰信號(hào)達(dá)到最大值(4 V)時(shí),停止激光加載; 當(dāng)固體燃料火焰信號(hào)持續(xù)8 s時(shí),高壓氮?dú)忾y和空氣出口閥門同時(shí)打開,高壓低溫氮?dú)鈱⒒鹧娲禍?。由于激光加載時(shí)間相比總?cè)紵龝r(shí)間很短,可將整個(gè)燃燒過程視為無外加熱源情況下自持燃燒。實(shí)驗(yàn)前后的固體燃料的質(zhì)量分別為m0和m1,得到燃燒質(zhì)量(m0-m1); 通過讀取高速攝影儀拍攝錄像中初始火焰出現(xiàn)時(shí)間t1和熄火時(shí)間t2,得到燃燒時(shí)間(t2-t1),定義固體燃料的燃速為:

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 點(diǎn)火與燃燒過程分析

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知,固體燃料PE高溫分解時(shí)的產(chǎn)物取決于分解溫度,但主要分解產(chǎn)物是可燃性氣體乙烯。圖4所示是高速攝影儀記錄樣品點(diǎn)火和燃燒過程的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。從圖4可以看出,所有樣品在不同環(huán)境壓強(qiáng)下的點(diǎn)火過程相似。以圖4a中炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的樣品S2為例分析點(diǎn)火和燃燒過程,激光開始加載后(0 ms),樣品表面受熱后快速融化為粘稠液體,并逐漸有白煙狀的大分子分解產(chǎn)物在空氣中自然對(duì)流上升擴(kuò)散(440 ms); 隨著熱量的積累,固體表面上升到一定溫度后,分解氣體主要為無色透明的小分子氣體; 當(dāng)分解氣體溫度達(dá)到其活化能并有充足的氧氣,初始火焰出現(xiàn)(536 ms)并快速向上下傳播(540 ms),直到達(dá)到穩(wěn)定燃燒(594 ms); 當(dāng)撤去激光后燃燒火焰高度瞬間降低(598 ms),然后在無外加熱源條件下逐漸穩(wěn)定燃燒(6000 ms)。通過上文分析可知,各樣品的點(diǎn)火過程均為典型的氣相點(diǎn)火,燃燒火焰屬擴(kuò)散火焰。

對(duì)比分析圖4a中不同樣品點(diǎn)火和燃燒過程,當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí),隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,樣品中PE的初始分解時(shí)間縮短,分解氣體中伴隨著更多的炭黑,初始火焰和穩(wěn)定燃燒火焰都更加明亮,但穩(wěn)定燃燒火焰高度更低。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)為0.3 MPa(圖4b)和0.5 MPa(圖4c)時(shí),炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固體燃料的點(diǎn)火和燃燒的影響與環(huán)境壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí)相同。上述現(xiàn)象的原因是,隨著炭黑的加入,固體燃料吸收了更多的激光輻射能量,加快了激光輻照對(duì)固體燃料的加熱進(jìn)程,使固體燃料表面更快達(dá)到HDPE的初始分解溫度,縮短了固體燃料初始分解時(shí)間; 隨著固體燃料熱解的進(jìn)行,分解氣體將部分小粒徑的炭黑吹離固體燃料的表面,并隨分解氣體上升,點(diǎn)火完成后,炭黑相對(duì)熱解氣體更加難以燃燒,未燃盡的碳炭黑隨火焰向上運(yùn)動(dòng),燃燒火焰呈黃色且更加明亮[13]。

環(huán)境壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí),S1～S3樣品燃燒后的固體燃料表面形貌如圖5所示。由圖5可見,樣品S1燃燒后的燃面致密光滑(圖5a); 樣品S2燃燒后的表面有少量的炭黑(圖中綠色箭頭所指位置)積聚(圖5b); 樣品S3燃燒后的表面有大量的炭黑積聚(圖5c)。根據(jù)圖5可知,分解氣體只能夠?qū)⒉糠痔亢诖惦x固體燃料燃面,而剩余部分炭黑在燃面處積聚,形成炭黑層,炭黑層的厚度隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。炭黑層阻止其下方的炭黑脫離固體燃料燃面,這也是圖4a中樣品S2、S3、S5、S7分在440,384,296,204 ms時(shí)刻分解氣體頂部形成“黑帽子”的原因。而且,隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,炭黑層厚度隨之增加,影響火焰反饋熱進(jìn)一步向固體燃料內(nèi)部傳導(dǎo),HDPE分解速率減慢,穩(wěn)定燃燒火焰高度更低。

a. 0.1 MPa b. 0.3 MPa c. 0.5 MPa

圖4 不同環(huán)境壓強(qiáng)下固體燃料點(diǎn)火和燃燒過程

Fig.4 The ignition and combustion process of solid fuel at different environmental pressures

a. S1(HDPE) b. S2(5%C) c. S3(10%C)

圖5 固體燃料燃燒后表面形貌

Fig.5 Surface morphology of solid fuel after combustion

根據(jù)圖4進(jìn)一步分析,環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)不同組分配比固體燃料點(diǎn)火和燃燒的影響相似。對(duì)比分析圖4中S2樣品在環(huán)境壓強(qiáng)為0.1,0.3,0.5 MPa情況下的點(diǎn)火和燃燒過程,隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增大,固體燃料初始分解時(shí)間縮短,分解燃?xì)鈹U(kuò)散上升速度減慢,初始火焰更加靠近固體燃料燃面,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,穩(wěn)定燃燒火焰高度增加,燃燒火焰伴隨著更多的絮狀炭黑,火焰中的黃色光增強(qiáng),火焰更加明亮,火焰頂部聚集更多的炭黑,激光熱流對(duì)固體燃料燃燒的影響減弱。上述現(xiàn)象的原因是,隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增加,分解氣體在空氣中的擴(kuò)散混合速率減慢,在燃面處最先達(dá)到點(diǎn)火氧濃度和點(diǎn)火溫度,初始火焰出現(xiàn)在固體燃料燃面處,并且緩慢向上擴(kuò)散。氣相反應(yīng)高溫區(qū)域更加靠近燃面,增強(qiáng)了火焰對(duì)固體燃料的熱反饋,固體燃料的分解速率加快,點(diǎn)火熱源的作用減弱,同時(shí)固體燃料分解速率增大、穩(wěn)定燃燒火焰更高。而火焰中心區(qū)域缺乏足夠的氧氣,分解氣體不能充分燃燒,會(huì)有中間反應(yīng)產(chǎn)物炭黑生成,這也是火焰呈黃色的主要原因[14]。

3.2 不同環(huán)境壓強(qiáng)下炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

不同環(huán)境壓強(qiáng)下點(diǎn)火延遲時(shí)間隨炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況如圖6所示。由圖6可以看出,在相同的環(huán)境壓強(qiáng)下,隨著炭黑的加入,點(diǎn)火延遲時(shí)間急劇縮短; 當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí),隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,點(diǎn)火延遲時(shí)間緩慢縮短,并很快趨于平緩; 在炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同情況下,隨著壓強(qiáng)的升高,固體燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間急劇縮短,當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)高于0.2 MPa時(shí),壓強(qiáng)增大對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響很小。該現(xiàn)象的原因是,隨著炭黑的加入,使固體燃料輻射吸收系數(shù)增加,單位時(shí)間內(nèi)吸收了更多的激光輻射能,加快了固體燃料的受熱分解,使點(diǎn)火延遲時(shí)間急劇縮短。雖然炭黑會(huì)提高輻射吸熱能力,但是這種提高效果存在極限,隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,提高效果逐漸減弱,炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響也越來越弱。

圖6 不同炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和環(huán)境壓強(qiáng)下的點(diǎn)火延遲時(shí)間

Fig.6 Ignition delay time under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

由上述分析可知,影響固體燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間的因素主要包括固體燃料表面熱量積累時(shí)間、固體燃料分解時(shí)間和分解氣體擴(kuò)散時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知,固體燃料PMMA點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光熱流密度的關(guān)系符合式(2):

(2)

式中,tig為點(diǎn)火延遲時(shí)間,ms;q為激光熱流密度,W·cm-2;A、B為常數(shù)。

由于炭黑的加入主要增加固體燃料對(duì)激光能量吸收的強(qiáng)度,故引入修正系數(shù)k對(duì)熱流密度進(jìn)行修正,得到點(diǎn)火延遲時(shí)間tig與炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)φC的函數(shù)關(guān)系式:

(3)

式中,tig為點(diǎn)火延遲時(shí)間,ms;φC為炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù);a、b、k為常數(shù)。

根據(jù)公式(3),采用最小二乘法對(duì)圖6中不同環(huán)境壓強(qiáng)下點(diǎn)火延遲時(shí)間與炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合,分別得到在不同環(huán)境壓強(qiáng)下的擬合曲線(圖6中曲線)和擬合參數(shù)(表2)。

表2 不同環(huán)境壓強(qiáng)下點(diǎn)火延遲時(shí)間與炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的擬合結(jié)果

Table 2 Fitting results of ignition delay time with mass fraction of carbon black at different environmental pressures

p/MPaabkcorrelationcoefficients0．17．06×107277．804．10×1030．9950．25．87×107164．894．84×1030．9990．35．25×107143．664．62×1030．9980．44．59×107129．663．93×1030．9980．54．22×107125．673．61×1030．997

分析表2中不同環(huán)境壓強(qiáng)下點(diǎn)火延遲時(shí)間與炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系的擬合結(jié)果可知,常數(shù)a和b都隨著壓強(qiáng)的增大而減少,且滿足指數(shù)關(guān)系,即a∝p-3.082,b∝p-0.548。

3.3 不同環(huán)境壓強(qiáng)下炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燃速的影響

環(huán)境壓強(qiáng)為0.1,0.3,0.5 MPa情況下,不同組分配比固體燃料的燃速如圖7所示。根據(jù)圖7可知,相同環(huán)境壓強(qiáng)時(shí),固體燃料的燃速隨炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。碳黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),固體燃料的燃速隨環(huán)境壓強(qiáng)的增大而增大。當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加大于5%時(shí),固體燃料的燃速隨壓強(qiáng)的增大緩慢增大,此時(shí)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響固體燃料燃速的主要因素。這是因?yàn)?以HDPE為基底的固體燃料的燃燒方式為擴(kuò)散燃燒,而炭黑只能部分隨著分解氣體與空氣摻混,隨著燃面的退移,剩余部分炭黑逐漸在燃面積聚,形成炭黑層(如圖5b和圖5c所示),影響火焰反饋熱進(jìn)一步向固體燃料內(nèi)部傳導(dǎo),固體燃料中HDPE的分解速率降低。隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增大,分解氣體擴(kuò)散速率減慢,氣相反應(yīng)區(qū)變薄,使高溫區(qū)更加接近燃面,增強(qiáng)了高溫火焰對(duì)固體燃料的熱反饋,固體燃料分解速率加快。隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,炭黑層的厚度增加更快,進(jìn)一步影響火焰對(duì)固體燃料的熱反饋,固體燃料中HDPE的分解速率降低,所以當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí),固體燃料的燃速隨壓強(qiáng)的增大緩慢增大,炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)成為影響固體燃料燃速的主要因素。通過計(jì)算可知,樣品S2(炭黑為5%)在環(huán)境壓強(qiáng)分別為0.1,0.3,0.5 MPa情況下,燃速比在相同環(huán)境壓強(qiáng)時(shí)樣品S1分別降低13.76%,20.76%和26.07%,而文獻(xiàn)[4]表明當(dāng)在HTPB中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的炭黑時(shí),燃面退移率降低27%,產(chǎn)生這種差別的原因可能是HTPB與HDPE的燃燒性能不同、實(shí)驗(yàn)工況不同等。

圖7 不同炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和環(huán)境壓強(qiáng)下的燃速

Fig.7 Burning rate under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

此外,本研究中固體燃料是在輻射作用下點(diǎn)火燃燒,由于炭黑的作用輻射吸收系數(shù)增加,點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短; 擴(kuò)散過程主要為自然對(duì)流驅(qū)動(dòng),環(huán)境壓強(qiáng)的增加使得火焰高溫區(qū)更靠近燃料燃面,使熱量反饋增強(qiáng)。在SFRJ工作過程中,高溫燃?xì)馀c固體燃料之間為強(qiáng)迫對(duì)流換熱,并且對(duì)固體燃料表面也存在著一定的剪切作用,炭黑顆?？赡懿粫?huì)積聚在固體燃料表面,炭黑對(duì)點(diǎn)火燃燒過程的影響可能與本研究得到的成果存在一些差別。因而,在本文研究基礎(chǔ)上,還需要對(duì)固體燃料在強(qiáng)迫對(duì)流環(huán)境下的點(diǎn)火燃燒過程進(jìn)行研究,進(jìn)一步分析環(huán)境壓強(qiáng)和炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固體燃料的點(diǎn)火燃燒的影響。

4 結(jié) 論

(1) 以高密度聚乙烯為基底添加炭黑固體燃料的點(diǎn)火方式為典型的氣相點(diǎn)火,火焰屬擴(kuò)散火焰。隨著炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,HDPE初始分解時(shí)間縮短,但是在燃燒表面形成的炭黑層厚度增加; 隨著壓強(qiáng)的升高,初始火焰更加靠近燃燒表面,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,火焰中新生成炭黑和黃色光的比例增加; 壓強(qiáng)是影響穩(wěn)定火焰高度的主要因素。

(2) 隨著炭黑的加入,固體燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間急劇縮短,當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí),炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間影響很小; 隨著壓強(qiáng)的增大,點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短,但當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)大于0.2 MPa時(shí),壓強(qiáng)大小對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響很小; 當(dāng)激光加載熱流密度為260 W·cm-2、炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%、環(huán)境壓強(qiáng)為0.1～0.5 MPa時(shí),點(diǎn)火延遲時(shí)間tig和炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)φC符合函數(shù)關(guān)系tig=a/(260+k×φC)2+b,常數(shù)a和b都隨著壓強(qiáng)的增大而減少,且滿足指數(shù)關(guān)系,即a∝p-3.082,b∝p-0.548。

(3) 環(huán)境壓強(qiáng)相同時(shí),固體燃料的燃速隨炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小; 碳黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),固體燃料的燃速隨環(huán)境壓強(qiáng)的增大而增大; 當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加大于5%時(shí),炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響固體燃料燃速的主要因素。

(4) 本研究中分解氣體擴(kuò)散過程主要為自然對(duì)流驅(qū)動(dòng),而SFRJ中高溫燃?xì)馀c固體燃料之間為強(qiáng)迫對(duì)流換熱,并且對(duì)固體燃料表面也存在著一定的剪切作用,炭黑對(duì)點(diǎn)火燃燒過程的影響可能與本研究得到的成果存在一些差別,還需要進(jìn)一步研究在強(qiáng)迫對(duì)流環(huán)境下環(huán)境壓強(qiáng)和炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固體燃料點(diǎn)火燃燒的影響。

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