袁 江,袁 嵩,劉洪城,金秉寧*,劉佩進(jìn)

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2.海軍裝備部,西安 710025;3.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所,西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定問題主要表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)以固有頻率做周期性的振蕩[1-4]。這種壓強(qiáng)振蕩通常會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異?；蛘咭鸶鼮閲?yán)重的后果。根據(jù)線性穩(wěn)定性預(yù)估理論[5],壓強(qiáng)振蕩由聲能增益和阻尼共同決定,其中增益因素包括壓強(qiáng)耦合、速度耦合、分布式燃燒等;阻尼因素包括噴管阻尼、粒子阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼等。其中,分布式燃燒和粒子阻尼都與推進(jìn)劑中金屬鋁顆粒燃燒有較大的關(guān)系。研究表明[6],大部分金屬顆粒在燃燒表面快速燃燒形成大量的凝相燃燒產(chǎn)物,這種凝相產(chǎn)物粒徑分布從幾微米至幾十微米不等,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中低頻振蕩有較強(qiáng)的阻尼作用;另一部分金屬鋁顆粒在推進(jìn)劑燃燒表面經(jīng)過累積、聚集、團(tuán)聚、融合以及二次融合[7-9]等過程形成十幾微米至幾百微米的團(tuán)聚顆粒。該部分顆粒在推進(jìn)劑表面并未燃燒完全,隨著燃?xì)饬鞯淖饔秒x開燃燒表面進(jìn)入流場(chǎng)中繼續(xù)燃燒并與聲振蕩耦合產(chǎn)生分布式燃燒,對(duì)振蕩產(chǎn)生增益作用。然而,這些問題的研究似乎都是先在穩(wěn)態(tài)條件下獲得推進(jìn)劑燃燒表面的鋁團(tuán)聚燃燒特性,之后再與聲振蕩耦合形成增益和阻尼作用。從而忽略了聲振蕩在推進(jìn)劑燃燒表面與鋁顆粒動(dòng)態(tài)燃燒的作用。研究發(fā)現(xiàn)[10-12],聲振蕩對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面鋁燃燒過程有較大影響,可以改變鋁顆粒在推進(jìn)劑表面團(tuán)聚過程。因此,開展聲振蕩對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面鋁顆粒燃燒及團(tuán)聚特性的研究,對(duì)于深入認(rèn)識(shí)鋁在燃燒不穩(wěn)定中的影響機(jī)制有著重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振蕩環(huán)境下鋁的燃燒進(jìn)行了研究。理論研究方面,GALLIER[13-14]等采用數(shù)值模擬的方法研究了鋁粉顆粒分布燃燒對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的增益作用,認(rèn)為聲邊界層的厚度以及鋁燃燒釋放的反應(yīng)熱共同決定不穩(wěn)定性,并提出了鋁的分布式燃燒與聲能耦合的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)方面,李軍偉等[16]研究了振蕩頻率對(duì)鋁粉的燃燒特性和產(chǎn)物阻尼特性的影響,楊天昊[10]基于脈沖激勵(lì)裝置開展了振蕩環(huán)境下推進(jìn)劑燃燒細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)振蕩環(huán)境下NEPE推進(jìn)劑的表面團(tuán)聚比穩(wěn)態(tài)條件下更加劇烈;KATHIRAVAN[11]等認(rèn)為聲振蕩影響了鋁顆粒燃燒的動(dòng)力學(xué)過程和團(tuán)聚過程,進(jìn)而改變了推進(jìn)劑的平均燃速。這些研究表明,聲振蕩與鋁的燃燒存在相互作用,但缺少對(duì)聲振蕩下鋁團(tuán)聚特性的微觀研究,尚無法為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性預(yù)示提供確切的粒徑分布和邊界條件。因此,需要發(fā)展更為精細(xì)化的聲振蕩作用下鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法,揭示聲振蕩對(duì)鋁團(tuán)聚顆粒的作用機(jī)理及影響規(guī)律。

本文旨在開展聲振蕩作用下推進(jìn)劑鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)研究,獲得非線性壓強(qiáng)振蕩對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面鋁顆粒團(tuán)聚特性的影響規(guī)律。針對(duì)含鋁固體復(fù)合推進(jìn)劑,建立了聲振蕩作用下鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置和方法,在聲振蕩作用下對(duì)含鋁復(fù)合推進(jìn)劑燃燒表面及其近表面空間范圍(0～3 mm)內(nèi)的鋁團(tuán)聚特性進(jìn)行了診斷測(cè)量,獲得了壓強(qiáng)振蕩對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面鋁燃燒顆粒團(tuán)聚特性的影響規(guī)律。為進(jìn)一步探究聲振蕩作用下鋁顆粒燃燒對(duì)燃燒不穩(wěn)定的增益和阻尼影響提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文為開展聲振蕩作用下的鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)研究,首先需要建立振蕩環(huán)境構(gòu)造裝置,為了同時(shí)滿足振蕩頻率、幅值以及持續(xù)時(shí)間的要求,本文用揚(yáng)聲器來構(gòu)造振蕩環(huán)境,為了模擬壓強(qiáng)振蕩,采用雙揚(yáng)聲器分別布置在推進(jìn)劑兩側(cè),產(chǎn)生兩路相同頻率的聲波,可通過控制兩路聲波的相位差來調(diào)整振蕩幅值的大小,當(dāng)兩路聲波疊加時(shí)產(chǎn)生的振蕩幅值最大。本文搭建的系統(tǒng)能夠構(gòu)造頻率范圍為0～1000 Hz,幅值可達(dá)500 Pa的振蕩環(huán)境。傳統(tǒng)的鋁顆粒燃燒診斷方法如產(chǎn)物粒子收集法無法獲得鋁顆粒燃燒過程中的動(dòng)態(tài)信息,本文設(shè)計(jì)了光學(xué)診斷方法對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面及其近表面的鋁團(tuán)聚顆粒進(jìn)行診斷測(cè)量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由聲振蕩系統(tǒng)和光學(xué)診斷系統(tǒng)兩部分組成,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。聲振蕩作用方向與診斷系統(tǒng)光路方向垂直。

光學(xué)測(cè)量采用兩種方法,一種是數(shù)字全息測(cè)量,用于測(cè)量推進(jìn)劑燃燒過程中的顆粒粒徑信息;另一種是高速顯微直接成像法,用于記錄燃燒過程中顆粒的微觀形貌和火焰結(jié)構(gòu)。利用同步觸發(fā)器對(duì)兩路相機(jī)采集進(jìn)行同步,Cam 1和Cam 2為L(zhǎng)avision公司Phantom超高速系列相機(jī),二者在相同的分辨率(1280×1024)和采樣率(fs=4000)下采集,系統(tǒng)時(shí)間分辨率為0.25 ms。將推進(jìn)劑試件固定在夾具上,調(diào)整推進(jìn)劑試件的位置,使其位于視場(chǎng)中央;調(diào)整相機(jī)位置,使用Cam 2處于在焦?fàn)顟B(tài),Cam 1處于離焦?fàn)顟B(tài);設(shè)置分辨率、曝光時(shí)間等參數(shù);打開聲振蕩系統(tǒng),設(shè)置振蕩頻率和幅值;推進(jìn)劑點(diǎn)火,同時(shí)同步觸發(fā)器開始采集數(shù)據(jù)。通過標(biāo)定,光學(xué)診斷系統(tǒng)放大倍數(shù)約2.1倍,實(shí)際像元尺寸為4.8 μm,由于識(shí)別圓形顆粒至少需要3×3個(gè)像素,故系統(tǒng)的最小空間分辨率為14.3 μm。因此,本文中小于15 μm的顆粒不計(jì)入粒徑統(tǒng)計(jì)范圍。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

利用建立的診斷系統(tǒng)和方法開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)聲振蕩作用下的推進(jìn)劑燃燒過程進(jìn)行拍攝,獲得的結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為高速直接成像結(jié)果,可觀測(cè)到顆粒的微觀形貌,但有部分顆粒處于離焦?fàn)顟B(tài);圖2(b)為原始全息圖像,可以記錄高速直接結(jié)果中離焦顆粒的信息,本文將兩種方法進(jìn)行同步采集,可在單次實(shí)驗(yàn)獲得更多有效信息。通過文獻(xiàn)[21]和[24]中全息圖像的處理方法獲得重建、融合后的圖像,用文獻(xiàn)[22]中的顆粒識(shí)別算法對(duì)融合后的全息圖像進(jìn)行顆粒自動(dòng)識(shí)別,最后用邊緣檢測(cè)算法對(duì)顆粒邊緣進(jìn)行提取,最終獲得顆粒的位置信息和粒徑,如圖2(c)所示。本文旨在研究聲振蕩環(huán)境對(duì)鋁團(tuán)聚顆粒在燃面及其近燃面的動(dòng)態(tài)行為和團(tuán)聚特性,因此,聚焦在燃面上方及距離燃面0～3 mm范圍內(nèi)的顆粒。

(a)Results of high-speed photography (b)Raw hologram (c)Particle size identification results

1.3 實(shí)驗(yàn)工況及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用推進(jìn)劑為丁羥四組元推進(jìn)劑,其中鋁粉初始平均粒徑約29 μm,含量約為18%;AP含量約為59%,RDX含量約為10%。推進(jìn)劑樣本為長(zhǎng)方體狀,尺寸為10 mm×10 mm×20 mm。分別在無振蕩、振蕩頻率f=～340 Hz的聲振蕩作用下開展了鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量,產(chǎn)生的振蕩幅值約為250 Pa。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

2.1 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為非振蕩作用下鋁顆粒燃燒火焰結(jié)果,火焰方向與顆粒運(yùn)動(dòng)速度方向一致,整個(gè)過程中無擺動(dòng)。

圖3 非振蕩環(huán)境下顆?；鹧?/p>

圖4(a)中標(biāo)注的顆粒為340 Hz聲振蕩作用下鋁顆粒(粒徑約為200 μm),其氧化帽和火焰結(jié)構(gòu)清晰可見,該時(shí)刻的火焰方向?yàn)樨Q直方向,對(duì)該顆粒的火焰擺動(dòng)情況進(jìn)行追蹤,記圖4(a)為起始時(shí)刻,圖4(b)～(e)火焰先向右擺動(dòng),圖4(f)時(shí)刻,火焰回到豎直位置,火焰尾部呈明顯彎曲,此后向左擺動(dòng);如圖4(h)所示,火焰回到豎直位置,可認(rèn)為圖4(a)～(h)為一個(gè)周期,共經(jīng)歷T=12 Δt,Δt=0.25 ms,T=3 ms,故該鋁顆?；鹧鏀[動(dòng)頻率為1/T= 333 Hz,與實(shí)驗(yàn)輸入頻率340 Hz基本一致,誤差約為2%。燃面上方的顆?；鹧嬉矔?huì)在聲振蕩作用下呈現(xiàn)周期性擺動(dòng),由于燃面上的顆粒受到連粘附力較大,火焰根部固定不動(dòng),火焰尾部易發(fā)生擺動(dòng),彎曲程度更大,擺動(dòng)過程中火焰對(duì)顆粒有“拉扯”力,當(dāng)擴(kuò)散火焰受振蕩作用影響較大時(shí),可能使燃面上的顆粒產(chǎn)生形變,與周圍小粒徑顆粒的團(tuán)聚概率增大。

圖4 振蕩作用下火焰擺動(dòng)(f=340 Hz)

與無振蕩環(huán)境不同,壓強(qiáng)振蕩以一定的振蕩頻率掃過火焰包絡(luò)層,使火焰發(fā)生周期性擺動(dòng),這表明振蕩環(huán)境改變了鋁顆粒燃燒火焰的方向,進(jìn)而將改變?nèi)紵龍?chǎng)內(nèi)的溫度分布等。事實(shí)上,火焰根部(靠近燃面一端)受到推進(jìn)劑燃面粘結(jié)劑和氧化鋁等作用,不易受到振蕩影響,火焰尾部(遠(yuǎn)離燃面一端)在氣流中更易受到周期性振蕩的影響。但鋁顆粒燃燒火焰還受燃燒產(chǎn)生的氣流,顆粒自身運(yùn)動(dòng)特性以及環(huán)境的影響,關(guān)于更多鋁顆粒在聲振蕩作用下燃燒的火焰特征還有待進(jìn)一步研究。

2.2 粒度分布結(jié)果

對(duì)原始全息圖像按照1.2節(jié)所述方法進(jìn)行處理,獲得聲振蕩作用下鋁團(tuán)聚顆粒的個(gè)數(shù)概率密度分布函數(shù)(N-PDF)和體積概率密度分布函數(shù)(V-PDF),采用文獻(xiàn)[11]所用方法對(duì)顆粒進(jìn)行識(shí)別和粒徑表征,并與無振蕩環(huán)境結(jié)果做對(duì)比。在無振蕩下和340 Hz聲振蕩作用下分別統(tǒng)計(jì)了10243、9393個(gè)鋁顆粒及其團(tuán)聚物,獲得粒度分布結(jié)果如圖5所示。其中,CDF(Cumulative distribution function)為累積分布函數(shù)。

(a)N-PDF (b)V-PDF

以上結(jié)果表明,鋁團(tuán)聚顆粒的粒度分布在有無聲振蕩作用下存在顯著差異。從個(gè)數(shù)概率密度函數(shù)(N-PDF)來看,無聲振蕩作用下的粒度分布呈現(xiàn)三峰分布,分別在61、120、240 μm附近存在峰值,近50%的顆粒發(fā)生了團(tuán)聚,且團(tuán)聚集中在第一個(gè)峰值附近;聲振蕩作用下61 μm附近的顆粒占比減小,而后兩個(gè)峰值附近的顆粒占比增大;從體積概率密度函數(shù)(V-PDF)來看,粒度分布大致均呈現(xiàn)雙峰分布,峰值在120 μm和240 μm附近,聲振蕩作用下鋁團(tuán)聚顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為總體積的97%,發(fā)生團(tuán)聚行為的鋁顆粒個(gè)數(shù)占比和體積占比均增大。圖5(b)表明,在聲振蕩作用下40～260 μm的顆粒體積占比減少,同時(shí)300～600 μm的顆粒體積占比顯著增加,結(jié)合N-PDF結(jié)果,40～80 μm范圍內(nèi)的顆粒減少較多。分析原因,小尺度顆粒受聲場(chǎng)力的作用容易飛離燃面未產(chǎn)生團(tuán)聚作用;而中等尺度(100～260 μm)的顆粒受聲場(chǎng)力的作用在燃燒表發(fā)生滾動(dòng)、形變等行為,從而增加了團(tuán)聚的作用。

為了進(jìn)一步定量說明聲振蕩作用對(duì)鋁顆粒團(tuán)聚的影響,對(duì)平均團(tuán)聚粒徑和團(tuán)聚分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

(2)

式中Nagglom為團(tuán)聚顆粒;N為所有顆粒;di為顆粒粒徑。

平均團(tuán)聚粒徑和團(tuán)聚分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示,相較于無振蕩環(huán)境,340 Hz聲振蕩作用下質(zhì)量平均粒徑增加了29%,平均團(tuán)聚粒徑增加了27%,團(tuán)聚分?jǐn)?shù)增加了1.24%。因此,可認(rèn)為340 Hz聲振蕩作用下促進(jìn)了推進(jìn)劑燃面及其近燃面范圍內(nèi)鋁顆粒的團(tuán)聚。

表1 平均團(tuán)聚粒徑和團(tuán)聚分?jǐn)?shù)結(jié)果

3 分析與討論

推進(jìn)劑燃燒表面及其近燃面顆粒的粒度分布與鋁顆粒的燃燒過程緊密相關(guān),為了探究聲振蕩作用下粒度分布改變的原因,圍繞鋁的燃燒過程展開分析。

鋁顆粒在燃面處經(jīng)歷累積、聚集、團(tuán)聚、融合、二次融合等過程后,脫離燃面,隨氣流運(yùn)動(dòng)[9]。由于鋁顆粒在燃面初始聚集時(shí)的粒徑通常小于截止粒徑Dcut,且發(fā)生聚集時(shí)顆粒數(shù)較多,難以觀察到聲振蕩作用下的明顯差異。故本文主要關(guān)注鋁團(tuán)聚顆粒的團(tuán)聚、融合過程。

3.1 振蕩對(duì)團(tuán)聚過程的影響

如圖6所示,在振蕩作用下大顆粒粒徑產(chǎn)生形變,在t=0 ms時(shí)刻,顆粒產(chǎn)生橫向形變;在t=1 ms時(shí)刻,熔融態(tài)的鋁有阻礙形變的趨勢(shì),在表面張力的作用下呈現(xiàn)出向內(nèi)收縮的狀態(tài);在t=10 ms時(shí)刻,鋁團(tuán)聚顆粒在發(fā)生縱向形變的過程中,與周圍的小粒徑顆粒發(fā)生團(tuán)聚,如圖6(ⅳ)所示,發(fā)生團(tuán)聚后,顆粒的粒徑由534 μm增大到570 μm。

圖6 聲振蕩下的形變和團(tuán)聚

如圖7所示,在團(tuán)聚過程中,相鄰的鋁粒子燒結(jié)在一起,形成細(xì)絲(Filigrees),連接燃面與團(tuán)聚顆粒,當(dāng)顆粒粒徑較小時(shí),細(xì)絲受振蕩作用在燃面擺動(dòng),在細(xì)絲擺動(dòng)過程中,團(tuán)聚附近顆粒的可能性增大。定義細(xì)絲與燃面的夾角為θ,在細(xì)絲擺動(dòng)過程中,角度變化范圍為51°～124°。圖7中所示細(xì)絲在7.50 ms后斷裂,顆粒飛離燃面。

圖7 聲振蕩下的細(xì)絲

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析聲場(chǎng)力對(duì)團(tuán)聚過程的影響機(jī)制。如圖8(a)所示,鋁顆粒在燃面處聚集后,形成更大的鋁顆粒團(tuán)聚物,團(tuán)聚物受聲場(chǎng)力作用發(fā)生顯著形變,形變過程中會(huì)團(tuán)聚周圍粒徑較小的鋁顆粒及熔融的氧化鋁。如圖8(b)所示,在聲振蕩作用下,鋁顆粒團(tuán)聚物發(fā)生形變,氧化鋁和熔融鋁的結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化,團(tuán)聚周圍小粒徑鋁的能力改變;由鋁和氧化鋁連結(jié)而成的鏈狀團(tuán)聚物(Filigrees)發(fā)生形變或擺動(dòng),當(dāng)與燃面的夾角較小時(shí),可能與燃面上的顆粒發(fā)生團(tuán)聚。

3.2 振蕩對(duì)融合過程的影響

燃面處形成的團(tuán)聚物呈熔融態(tài),受燃面處氣流的推動(dòng)可以在垂直于燃面的方向即脫離燃面或者在燃面上沿燃面水平方向運(yùn)動(dòng)。燃面處兩個(gè)或兩個(gè)以上的團(tuán)聚物相互接觸會(huì)發(fā)生融合,從而形成更大尺寸的團(tuán)聚物。典型的顆粒融合過程對(duì)比如圖9所示。

圖9(a)為粒徑分別為180 μm(左)和185 μm(右)的顆粒在非振蕩作用下的融合過程,兩個(gè)顆粒之間的距離逐漸減小,經(jīng)過11.75 ms融合。圖9(b)為相同粒徑尺度的顆粒在340 Hz聲振蕩作用下的融合過程,經(jīng)過5.25 ms融合。聲振蕩作用下顆粒之間的距離迅速減小,與非振蕩環(huán)境相比,相同粒徑尺度的顆粒融合的時(shí)間縮短。

(a)Mergence in non-oscillation

根據(jù)鋁團(tuán)聚模型(口袋模型和隨機(jī)裝填[1]模型),當(dāng)兩個(gè)顆粒之間的距離小于臨界距離可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚,是否發(fā)生團(tuán)聚受顆粒受到的水平作用力和垂直作用力影響。類似地,認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)顆粒的距離極度趨近于0時(shí),顆粒極有可能發(fā)生融合,而在燃面上方,水平作用力占主導(dǎo)地位。圖10為聲振蕩對(duì)鋁融合顆粒在燃面融合過程的作用過程示意圖,聲振蕩可能通過兩種模式影響顆粒的融合。

如圖10(a)所示,兩個(gè)粒徑較小的顆粒易受到壓強(qiáng)振蕩產(chǎn)生的作用力,在氧化鋁的環(huán)境中更容易具有相互靠近的趨勢(shì),該過程將加速融合過程,結(jié)合圖5的粒度分布結(jié)果和圖9,100～260 μm范圍內(nèi)的顆粒發(fā)生此類現(xiàn)象的概率較大。如圖10(b)所示,大粒徑顆粒由于自身質(zhì)量較大,相對(duì)而言不易受到壓強(qiáng)振蕩的影響,但其附近的小顆粒在振蕩作用下更容易向大顆?？拷?最終被大顆粒“吞噬”而發(fā)生融合。

(a)Model A

因此,振蕩對(duì)顆粒融合的影響存在兩種機(jī)制,為進(jìn)一步說明聲振蕩作用下鋁團(tuán)聚顆粒在燃面的翻滾等動(dòng)態(tài)行為對(duì)鋁團(tuán)聚顆粒融合的影響,對(duì)無振蕩和340 Hz聲振蕩作用下的高速成像結(jié)果中鋁團(tuán)聚顆粒發(fā)生如圖9所示融合過程的概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。一幀高速顯微成像圖像中包含清晰的顆粒數(shù)為5～15個(gè),受圖像分辨率限制,僅對(duì)D大于截止粒徑[21]Dcut(61 μm)統(tǒng)計(jì),由于發(fā)生多次融合的顆粒占少數(shù),故只關(guān)注顆粒發(fā)生一次融合的情況。同時(shí),為避免重復(fù)統(tǒng)計(jì),圖像間隔為20幀。無聲振蕩作用下發(fā)生鋁團(tuán)聚顆粒占比40.9%,340 Hz聲振蕩作用下發(fā)生融合的鋁團(tuán)聚顆粒占比55.4%,該結(jié)果表明聲振蕩通過改變鋁團(tuán)聚顆粒間的距離,增大了鋁團(tuán)聚顆粒融合的概率。

聲振蕩對(duì)粒度分布的改變不僅僅是通過影響顆粒團(tuán)聚、融合過程,還與顆粒的二次融合有關(guān)。鋁顆粒在推進(jìn)劑表面燃燒過程中可能發(fā)生二次融合現(xiàn)象,即三個(gè)距離相近的顆粒先后經(jīng)過兩次融合,最終形成大粒徑顆粒,聲振蕩對(duì)二次融合的影響不僅和顆粒粒徑大小有關(guān),還和顆粒之間的距離、顆粒所受燃面粘附力、氣相環(huán)境對(duì)顆粒的氣動(dòng)力有關(guān),因此,聲振蕩對(duì)二次融合過程的影響較為復(fù)雜,還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)本文建立的裝置和方法可用于聲振蕩作用下的鋁顆粒團(tuán)聚特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量,獲得鋁團(tuán)聚顆粒的微觀形貌變化、火焰結(jié)構(gòu)、粒徑分布。

(2)在340 Hz頻率的聲振蕩作用下,部分小粒徑(40～80 μm)顆粒易飛離燃面而不發(fā)生團(tuán)聚,中等粒徑顆粒(100～260 μm)更容易團(tuán)聚成更大粒徑(300～600 μm)的顆粒,從而改變粒度分布,促進(jìn)推進(jìn)劑燃面及其近燃面0～3 mm范圍內(nèi)鋁顆粒團(tuán)聚。振蕩環(huán)境下質(zhì)量平均粒徑增加了29%,平均團(tuán)聚粒徑增加了27%,團(tuán)聚分?jǐn)?shù)增加了1.24%。

(3)聲振蕩作用下,顆粒的火焰以振蕩頻率周期性擺動(dòng);推進(jìn)劑燃燒表面鋁的團(tuán)聚、融合等過程發(fā)生改變,鋁團(tuán)聚顆粒團(tuán)聚和融合的概率增大。

下一步,將改善實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件,研究不同振蕩頻率以及更大振蕩幅值對(duì)鋁燃燒團(tuán)聚特性的影響。