微米级铝颗粒在水蒸气和氧气中的点火燃烧特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28866

流体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

微米级铝颗粒在水蒸气和氧气中的点火燃烧特性

胡泽君, 冯运超(), 何志成, 夏智勋, 李明泰

国防科技大学空天科学学院，长沙　410073

收稿日期:2023-04-13 修回日期:2023-05-04 接受日期:2023-05-12 出版日期:2023-08-15 发布日期:2023-05-15
通讯作者: 冯运超 E-mail:yunchaofeng@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52006240);湖南省自然科学基金(2021JJ30775)

Ignition and combustion characteristics of micro-sized aluminum particles in H₂O and O₂

Zejun HU, Yunchao FENG(), Zhicheng HE, Zhixun XIA, Mingtai LI

College of Aerospace Science and Technology，National University of Defense Technology，Changsha 　410073，China

Received:2023-04-13 Revised:2023-05-04 Accepted:2023-05-12 Online:2023-08-15 Published:2023-05-15
Contact: Yunchao FENG E-mail:yunchaofeng@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52006240);Hunan Provincial Natural Science Foundation(2021JJ30775)

摘要/Abstract

摘要：

通过实验研究了单个微米级铝颗粒（50~160 μm）在水蒸气和不同氧含量环境中的点火燃烧特性，通过铝颗粒的光学信息确定了其初始直径和火焰平均直径，划分了点火延迟时间和燃烧时间。铝颗粒的燃烧过程会发生多种不同的燃烧行为，颗粒破碎、喷射更易发生在温度更高的环境中，微爆更易发生在氧含量更高的环境中。提高环境温度和含氧量均可以减少颗粒的点火延迟时间，但是温度更高反而使颗粒的燃烧时间更长，这可能是高温氧化铝带走了颗粒大量的热量造成的。提高氧含量可以有效减少颗粒的燃烧时间，在弱氧化性环境中铝颗粒的燃烧集中在表面，并且难以完全燃烧，表面反应在燃烧过程中发挥了重要的作用。

关键词: 铝颗粒, 微米级单颗粒, 点火燃烧, 水蒸气, 氧气

Abstract:

The ignition and combustion characteristics of single micro-sized aluminum particles （50-160 μm） in water vapor and different oxygen contents are studied experimentally. The initial diameters and flame average diameters of the aluminum particles are determined by their optical information， and the ignition delay time and combustion time are divided. Different combustion behaviors will occur in the combustion process of aluminum particles. Particle fragmentation and injection are more likely to occur in the environment with higher temperature， and micro-explosion is more prevalent in the environment with higher oxygen content. Increasing the ambient temperature or oxygen content can reduce the ignition delay time of the particles， but the higher temperature makes the combustion time of the particles longer， which may be caused by the high temperature alumina taking away a lot of heat. Increasing the oxygen content can effectively reduce the combustion time of the particles. In weak oxidation environment， the combustion of aluminum particles is concentrated on the surface， and is difficult to burn completely. The surface reaction plays an important role in the combustion process.

Key words: aluminum particles, micro-sized single particle, ignition and combustion, water vapor, oxygen

中图分类号:

V439

胡泽君, 冯运超, 何志成, 夏智勋, 李明泰. 微米级铝颗粒在水蒸气和氧气中的点火燃烧特性[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528866-528866.

Zejun HU, Yunchao FENG, Zhicheng HE, Zhixun XIA, Mingtai LI. Ignition and combustion characteristics of micro-sized aluminum particles in H₂O and O₂[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(15): 528866-528866.

图/表 13

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 1

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 41

1	MARSH A W， WANG G T， HEYBORNE J D， et al. Time-resolved size， velocity， and temperature statistics of aluminum combustion in solid rocket propellants［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2021， 38（3）： 4417-4424.
2	CHEN Y， GUILDENBECHER D R， HOFFMEISTER K N G， et al. Study of aluminum particle combustion in solid propellant plumes using digital in-line holography and imaging pyrometry［J］. Combustion and Flame， 2017， 182： 225-237.
3	GOROSHIN S， HIGGINS A， KAMEL M. Powdered metals as fuel for hypersonic ramjets：AIAA-2001-3919［R］. Reston： AIAA， 2001.
4	BERGTHORSON J M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2018， 68： 169-196.
5	BERGTHORSON J M， YAVOR Y， PALECKA J， et al. Metal-water combustion for clean propulsion and power generation［J］. Applied Energy， 2017， 186： 13-27.
6	MILLER T F， HERR J D. Green rocket propulsion by reaction of Al and Mg powders and water：AIAA-2004-4037［R］. Reston： AIAA， 2004.
7	WATERS D F， CADOU C P. Modeling a hybrid Rankine-cycle/fuel-cell underwater propulsion system based on aluminum-water combustion［J］. Journal of Power Sources， 2013， 221： 272-283.
8	HUANG H T， ZOU M S， GUO X Y， et al. Analysis of the aluminum reaction efficiency in a hydro-reactive fuel propellant used for a water ramjet［J］. Combustion， Explosion， and Shock Waves， 2013， 49（5）： 541-547.
9	BARONE D， LOTH E， WEISS P， et al. Feasibility of water-aluminum reactor power （WARP） for long endurance UUVs： AIAA-2011-5904［R］. Reston： AIAA， 2011.
10	INGENITO A， BRUNO C. Using aluminum for space propulsion［J］. Journal of Propulsion and Power， 2004， 20（6）： 1056-1063.
11	CONNELL T L， RISHA G A， YETTER R A， et al. Combustion of alane and aluminum with water for hydrogen and thermal energy generation［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2011， 33（2）： 1957-1965.
12	TAPPAN B C， DIRMYER M R， RISHA G A. Evidence of a kinetic isotope effect in nanoaluminum and water combustion［J］. Angewandte Chemie， 2014， 126（35）： 9372-9375.
13	RISHA G A， CONNELL T L， YETTER R A， et al. Combustion of frozen nanoaluminum and water mixtures［J］. Journal of Propulsion and Power， 2014， 30（1）： 133-142.
14	GEORGES W， YAVOR Y， HIGGINS A J， et al. Burning rate of nano-aluminum-water propellant at high pressures： AIAA-2014-0648［R］. Reston： AIAA， 2014.
15	ERMOLAEV B S， KHRAPOVSKII V E， SHMELEV V M. Convective burning of an aluminum-water mixture［J］. Russian Journal of Physical Chemistry B， 2014， 8（5）： 680-686.
16	SUNDARAM D S， YANG V， CONNELL T L， et al. Flame propagation of nano/micron-sized aluminum particles and ice （ALICE） mixtures［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2013， 34（2）： 2221-2228.
17	SIPPEL T R， POURPOINT T L， SON S F. Combustion of nanoaluminum and water propellants： Effect of equivalence ratio and safety/aging characterization［J］. Propellants， Explosives， Pyrotechnics， 2013， 38（1）： 56-66.
18	KITTELL D E， GROVEN L J， SIPPEL T R， et al. Dependence of nano-aluminum and water propellant combustion on pH and rheology［J］. Combustion Science and Technology， 2013， 185（5）： 817-834.
19	WOOD T D， PFEIL M A， POURPOINT T L， et al. Feasibility study and demonstration of an aluminum and ice solid propellant： AIAA-2009-4890［R］. Reston： AIAA， 2009.
20	SABOURIN J L， RISHA G A， YETTER R A， et al. Combustion characteristics of nanoaluminum， liquid water， and hydrogen peroxide mixtures［J］. Combustion and Flame， 2008， 154（3）： 587-600.
21	RISHA G A， SON S F， YETTER R A， et al. Combustion of nano-aluminum and liquid water［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2007， 31（2）： 2029-2036.
22	YETTER R A， RISHA G A， SON S F. Metal particle combustion and nanotechnology［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2009， 32（2）： 1819-1838.
23	SUNDARAM D S， YANG V. Combustion of micron-sized aluminum particle， liquid water， and hydrogen peroxide mixtures［J］. Combustion and Flame， 2014， 161（9）： 2469-2478.
24	ZASECK C R， SON S F， POURPOINT T L. Combustion of micron-aluminum and hydrogen peroxide propellants［J］. Combustion and Flame， 2013， 160（1）： 184-190.
25	KI W， SHMELEV V， FINIAKOV S， et al. Combustion of micro aluminum-water mixtures［J］. Combustion and Flame， 2013， 160（12）： 2990-2995.
26	SIPPEL T R， SON S F， GROVEN L J， et al. Exploring mechanisms for agglomerate reduction in composite solid propellants with polyethylene inclusion modified aluminum［J］. Combustion and Flame， 2015， 162（3）： 846-854.
27	MARION M， CHAUVEAU C， GÖKALP I. Studies on the ignition and burning of levitated aluminum particles［J］. Combustion Science and Technology， 1996， 115（4/5/6）： 369-390.
28	DREIZIN E L. Experimental study of stages in aluminium particle combustion in air［J］. Combustion and Flame， 1996， 105（4）： 541-556.
29	BUCHER P， YETTER R A， DRYER F L， et al. Flames structure measurement of single， isolated aluminum particles burning in air［J］. Symposium （International） on Combustion， 1996， 26（2）： 1899-1908.
30	GILL R J， BADIOLA C， DREIZIN E L. Combustion times and emission profiles of micron-sized aluminum particles burning in different environments［J］. Combustion and Flame， 2010， 157（11）： 2015-2023.
31	MOHAN S， FURET L， DREIZIN E L. Aluminum particle ignition in different oxidizing environments［J］. Combustion and Flame， 2010， 157（7）： 1356-1363.
32	LYNCH P， KRIER H， GLUMAC N. A correlation for burn time of aluminum particles in the transition regime［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2009， 32（2）： 1887-1893.
33	BECKSTEAD M W. Correlating aluminum burning times［J］. Combustion， Explosion and Shock Waves， 2005， 41（5）： 533-546.
34	GLORIAN J， GALLIER S， CATOIRE L. On the role of heterogeneous reactions in aluminum combustion［J］. Combustion and Flame， 2016， 168： 378-392.
35	BOJKO B T， DESJARDIN P. Modeling the diffusion to kinetically controlled burning transition of micron-sized aluminum particles： AIAA-2015-0166［R］. Reston： AIAA， 2015.
36	STARIK A M， KULESHOV P S， SHARIPOV A S， et al. Numerical analysis of nanoaluminum combustion in steam［J］. Combustion and Flame， 2014， 161（6）： 1659-1667.
37	SCHOENITZ M， CHEN C M， DREIZIN E L. Oxidation of aluminum particles in the presence of water［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 2009， 113（15）： 5136-5140.
38	WASHBURN E B， TRIVEDI J N， CATOIRE L， et al. The simulation of the combustion of micrometer-sized aluminum particles with steam［J］. Combustion Science and Technology， 2008， 180（8）： 1502-1517.
39	ZHANG J R， XIA Z X， MA L K， et al. Experimental study on aluminum particles combustion in a turbulent jet［J］. Energy， 2021， 214： 118889.
40	FENG Y C， XIA Z X， HUANG L Y， et al. Ignition and combustion of a single aluminum particle in hot gas flow［J］. Combustion and Flame， 2018， 196： 35-44.
41	FENG Y C， XIA Z X， HUANG L Y， et al. Effect of ambient temperature on the ignition and combustion process of single aluminium particles［J］. Energy， 2018， 162： 618-629.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

Case	H₂流量/SLM	O₂流量/SLM	空气流量/SLM	产物
1	8	4	0	100%H₂O
2	12	6	0	100%H₂O
3	16	8	0	100%H₂O
4	12	3	15	50%H₂O， 50%N₂
5	12	6	12	50%H₂O， 10%O₂
6	12	18	0	50%H₂O， 50%O₂

[1]	吴建军, 胡泽君, 何志成, 张宇, 欧阳, 马正雪, 彭琴惠, 钟宇轩. 电控固体推进技术研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528716-528716.
[2]	穆宏鹏, 刘志东, 周顺程, 韩云晓, 邱明波. 极间介质模式对放电诱导烧蚀铣削影响[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525609-525609.
[3]	谭风光, 王可, 于潇栋, 王云, 李清安, 范玮. 无阀式脉冲爆震火箭发动机运行稳定性实验[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 124189-124189.
[4]	封文春, 朱永峰. 大型运输机乘员连续供氧呼吸模型及试验分析[J]. 航空学报, 2019, 40(2): 522212-522212.
[5]	周彬;王雪松;王涛;刘俊凯. 侧向风速对飞机尾流运动的影响[J]. 航空学报, 2009, 30(5): 773-779.
[6]	王雷;李润东;李爱民;魏砾宏;冯磊. 军用航空有机玻璃热分析动力学研究[J]. 航空学报, 2005, 26(6): 783-786.
[7]	肖华军. 航空供氧装备生理研究回顾与展望[J]. 航空学报, 2001, 22(5): 441-443.
[8]	王兴伟;袁修干. 航空供氧面罩二维密封曲线设计[J]. 航空学报, 2001, 22(4): 330-333.
[9]	詹泽深;温天佑. 抗1000km／h高速气流吹袭的保护头盔及氧气面罩的研制[J]. 航空学报, 1995, 16(1): 19-23.

微米级铝颗粒在水蒸气和氧气中的点火燃烧特性

Ignition and combustion characteristics of micro-sized aluminum particles in H₂O and O₂

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 41

相关文章 9

编辑推荐

Metrics

本文评价

微米级铝颗粒在水蒸气和氧气中的点火燃烧特性

Ignition and combustion characteristics of micro-sized aluminum particles in H2O and O2

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 41

相关文章 9

编辑推荐

Metrics

本文评价

Ignition and combustion characteristics of micro-sized aluminum particles in H₂O and O₂