含能纳米流体型燃料研究进展

含能纳米流体型燃料是将含能纳米颗粒均匀分散于液体基础燃料中制得,具有高密度、高体积热值等特性,是高能量密度燃料的重要研究方向。本文首先总结了含能纳米颗粒的固、液和气相制备方法及纳米流体型燃料的一步和两步制备方法,阐述了范德华力、空间位阻、静电斥力以及溶剂化排斥协同作用以稳定固液两相的原理,介绍了纳米流体燃料稳定性评价方法 （沉降与离心法、粒度观测法、光谱吸收法等）及提高燃料稳定性的途径（添加表面活性剂、纳米颗粒表面改性等）;进一步,解析了纳米颗粒表面改性同时提高燃料稳定性和燃烧特性的作用机制,分析了含能纳米颗粒提高燃料能量密度和燃烧速率、缩短点火延迟时间的机理。然后,综述了含能纳米流体型燃料凝胶化的研究进展,该燃料以凝胶态储存,经剪切或升温变稀后以纳米流体相态进行输送和雾化,是解决含能纳米流体型燃料沉降问题的重要手段。最后,提出了纳米流体型燃料的未来研究方向,如合成新型基础燃料、设计含能小分子凝胶剂、开发低成本规模化制备工艺等。     

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56～0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。     

高能量密度液体燃料的火箭发动机燃烧性能研究

为进一步提升火箭发动机的燃烧性能,采用模型火箭发动机研究了四种高能量密度液体燃料及一种添加纳米铝颗粒的纳米流体燃料的燃烧性能,分析几种燃料的燃烧效率、比冲、点火延迟时间等燃烧特性,以及纳米颗粒的燃烧产物。结果表明,在氧燃比为1.6～2.0的工况范围内,液体燃料的燃烧效率和质量比冲顺序为QC(四环庚烷)HD-01HD-03≈LGHD-03,密度比冲顺序为QC HD-03≈LGHD-03HD-01。QC燃料因其特殊的张力分子结构具备较高的密度、热值和化学活性,燃烧效率可达91.5%,质量比冲和密度比冲分别为230s和2276N·s/m3。向四环庚烷中添加15wt%纳米铝颗粒后,燃烧效率和质量比冲略有下降,但密度比冲可提高到2340N·s/m3,点火延迟时间较四环庚烷可缩短26ms,燃烧固体产物为碳,氧化铝和铝,纳米铝的燃烧效率约为91%。添加纳米铝颗粒的四环庚烷燃料是一种有潜力的新型液体高密度燃料。     

含能碳氢燃料燃烧特性及发动机应用研究进展

在液体碳氢燃料中添加铝、硼等高能固体颗粒是提高燃料能量特性的有效手段,也是未来高性能火箭发动机和冲压发动机性能提升的重要基础。对含能碳氢燃料的发展历程和当前需求进行介绍,重点分析对比了含能碳氢燃料的2种类型及各自优势;综述了国内外开展的含能碳氢燃料单液滴燃烧实验研究,介绍了含能碳氢燃料液滴的特征燃烧过程和典型燃烧现象;总结了国内外研究机构在火箭发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机平台中开展的含能碳氢燃料应用研究进展。最后,对含能碳氢燃料的下一步研究进行展望。     

煤油凝胶单液滴燃烧特性试验

利用二氧化碳激光器点火装置及高分辨率高速成像系统,开展了煤油凝胶单液滴在空气中的点火燃烧试验,观察了凝胶液滴在燃烧过程中的形态变化,为进行凝胶冲压发动机的总体设计提供依据。试验结果表明,煤油凝胶液滴的燃烧经历了煤油的蒸发燃烧、气泡产生、胶凝层形成、胶凝层破裂、微爆等物理化学过程,基本满足D²定律。分析了胶凝剂含量、硼含量对含硼煤油凝胶燃烧过程的影响。当硼含量一定时,随着胶凝剂含量的增加,含硼凝胶的稳定燃烧相对时间增加,但微爆过程更加剧烈;当胶凝剂含量一定时,随着硼含量的增加,含硼凝胶液滴的稳定燃烧相对时间缩短,微爆现象更加剧烈。     

含硼燃料在细管内点火燃烧特性的实验研究

为了获得适用于微推进器的含硼燃料的改进配方,利用热重分析实验台、激光点火实验台和电感耦合等离子体发射光谱仪,进行了氧/燃比和草酸对含硼燃料在微小圆管中火焰形貌、点火延迟时间、燃烧时间、燃烧剧烈程度、燃速和燃烧效率等点火燃烧性能的影响研究。实验结果显示:无草酸的样品,氧/燃比越大,硼的点火延迟时间越小,燃尽率越高;但燃速和燃烧剧烈程度越小。添加草酸后,硼的点火性能和燃尽率明显提高,比添加草酸前的点火延迟时间减小了545~595ms,燃尽率增大了31.41%~32.67%。     

油溶性钯纳米颗粒催化高密度燃料点火燃烧研究

点火和燃烧是高密度燃料在新型发动机上应用的关键技术之一。使用十八酸作为保护剂制备了纳米钯金属颗粒,采用红外、核磁、差热分析和透射电镜等手段对其进行了表征。发现颗粒的平均粒径随着合成液中十八酸与钯前驱化合物摩尔比的增加而减小,纳米颗粒可长期稳定分散在燃料中而不沉降。评价了纳米颗粒催化高密度燃料HD-01的点火燃烧性能,发现添加质量分数为0.01‰,十八酸/Pd原料配比为4:1的颗粒可将HD-01的点火燃烧温度降低约230°C。     

含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究

为研究含铝浆体推进剂的燃烧特性,对浆体推进剂模型火箭发动机开展了一系列试验研究。分别将质量分数为21%的纳米铝粉颗粒以及质量分数为12%的氢化铝复合粒子加入到JP-10燃料中,对比分析了浆体燃料与纯净燃料在燃烧性能方面的差异。燃烧试验的氧燃比为1.6~2.0。试验结果表明:与纯净JP-10燃料相比,加入金属颗粒的JP-10浆体燃料在雾化和燃烧过程中产生了严重的结块聚集效应,导致其燃烧效率与质量比冲明显降低,而由于浆体燃料密度远大于纯净JP-10燃料,含纳米铝颗粒的浆体燃料的密度比冲相比于纯净JP-10燃料有大幅提高,提高幅度为5.5%~14.6%。试验还发现浆体燃料的点火延迟略低于纯净JP-10燃料,金属颗粒的加入对推进剂点火性能有积极的影响。试验中采集了喷管出口的固体燃烧产物并进行了XRD,EDS,SEM,TEM等多种手段分析,发现浆体燃料中铝的氧化率约为64%~74%,颗粒团聚现象明显,主要呈球形,尺寸分布不均,约为500nm~3μm。     

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题，设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机，开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明：掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象，为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置，将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率，本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。     

镁粉对铝/冰燃料燃烧特性的影响

为改善铝/冰燃料的点火燃烧性能,通过添加不同比例的镁粉制备成铝/冰基燃料,研究其对铝/冰燃料燃烧特性的影响。实验通过接触法测得铝/冰基燃料燃烧温度并采用高速摄影系统观测其燃烧现象。研究结果表明,铝/冰燃料中添加镁粉后在100~200℃即出现较为明显的氧化放热反应,镁粉可以明显降低铝/冰基燃料的起始反应温度,加快反应速率。在稳定燃烧阶段,随着镁粉添加量的增加,铝/冰基燃料燃烧剧烈程度降低。通过对燃烧产物的分析发现,添加镁粉后的燃烧产物形貌与未添加镁粉的产物形貌存在明显差别,且未完全反应的铝粉含量较多,燃烧相对不充分。     

国产五种不同性质喷气燃料的高空点火性能研究

在高空模拟实验器上,进行了具有不同性质的几种国产喷气燃料的高空点火性能研究.喷气燃料的试验是在一个航空发动机的预燃室点火器内进行.试验的燃料主要有:大庆油,大港油,南京油,孤岛油(即所谓的大比重油)和一种混合油.试验结果表明,燃油的密度愈低(其粘性也愈低,饱和蒸汽压愈高),其高空点火性能愈好.大比重油的高空点火性能相当不良,但用少量优质大庆油掺混(约百分之十)后可得到显著改善.使用小流量数喷嘴可显著改善大比重油的贫油点火性能,但点火的压力-速度边界和富油点火边界缩小了.试验结果还表明,液雾火花点火的流行的理论模型是可行的.     

基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制

在一台650 mL单缸活塞式航空发动机上,针对双火花塞点火方式对活塞式航空煤油发动机的爆震控制进行了试验研究。结果表明:采用两个火花塞同步点火,且将点火提前角推迟可以有效的抑制爆震,同时燃烧放热率幅值逐渐降低,整体燃烧相位逐渐推迟;采用双火花塞异步点火随着点火提前角点火相位差的增加,爆震强度逐渐降低,通过匹配主火花塞点火提前角与副火花塞点火提前角可进一步提升发动机的动力性。      

航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性

选用了航空煤油(Jet A-1)的3种替代燃料(正癸烷、正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料、正癸烷与甲苯双组分混合燃料),并详细分析了这3种替代燃料着火与燃烧的详细化学反应机理(正癸烷单组分燃料为67种组分与344个基元反应,正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料为118种组分与527个基元反应,正癸烷与甲苯双组分混合燃料为84种组分与440个基元反应).对这3种替代燃料在激波管中的着火延迟特性及在预混燃烧炉中的预混燃烧过程进行了详细的数值计算,并与实验数据进行了对比分析.同时,比较分析了双组分燃料中两种组分体积分数对着火与燃烧特性的影响.结果表明:在预测Jet A-1航空煤油的着火特性与预混燃烧特性上,两种双组分混合燃料要优于正癸烷单组分燃料.同时,两种双组分混合燃料中两种组分的体积分数对燃料的着火与燃烧特性影响显著.      

Promotional effect of silica on the combustion of nano-sized aluminum powder in carbon dioxide

This paper presents how the combustion performance of nano-sized aluminum(nAl)powder in carbon dioxide are affected by silica. The ignition and combustion performance of nAl powder with silica addition were studied by a high-temperature tube furnace. An s-type thermocouple and a high-speed motion acquisition instrument were performed to evaluate the ignition temperature, maximum combustion temperature, maximum change of rate of temperature, and combustion propagation speed. The combustion effici...     

Thermodynamic properties of gases at combustion of heavy distillate fuels

Based on the data on composition and calorific power of diesel fuel and solar oil, the conditional expressions of fuels and values of their enthalpies are considered. The data on thermodynamic properties of combustion products are obtained and generalized by calculating the process of air-fuel mixture combustion in a wide range of parameter variations.     

低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究

以某型航空发动机燃烧室为研究对象,对低热值燃料燃烧室进行了数值模拟和试验研究。采用RNGk-ε模型、小火焰紊流燃烧模型和P-1辐射模型,预估了紊流特性、化学反应速率和辐射通量;应用SIMPLE算法,对离散方程进行求解。计算结果与试验数据比较表明二者基本吻合,这说明计算方法合理,可用来估算低热值燃料燃烧室的燃烧性能。     

三种燃料在亚燃冲压燃烧室中的高空点火特性

为评估三种液体燃料(航空煤油(RP-3)、高热氧化安定性燃油(RP-3+100)以及煤基合成油(LUAN))的点火特性,在一种小型亚燃冲压燃烧室中开展了高空点火试验。研究表明:三种燃料在所选的试验条件下,均可以实现可靠点火。随着入口气流温度、压力的增加,三种燃料的点火当量比范围增加;随着入口气流速度的增加,三种燃料的点火当量比范围减小。RP-3+100在不同条件下均具有最高的点火当量比范围,RP-3与LUAN的点火当量比范围较为接近。当入口气流温度、压力和速度发生改变时,RP-3+100点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最低,RP-3点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最高。     

活塞发动机高空最小点火能量计算及试验

根据原型机结构,应用AVL BOOST建立了航空活塞式发动机的一维仿真模型,通过地面特性仿真计算与试验研究,验证了发动机仿真模型的可行性和正确性;在深入分析可燃混合气燃烧机理基础上,建立了发动机最小点火能量计算数学模型;在此基础上,采用AVL BOOST与MATLAB联合仿真的方法,计算了发动机在不同高空、不同空燃比稳定运行工况下的最小点火能量,得出不同高空最小点火能量MAP图,并进行了试验验证,结果表明,所建立的最小点火能量的仿真计算模型是正确可行的,能够满足后续性能预测与研究的要求.      

声能喷嘴供油级间驻涡燃烧室的性能试验

对一种采用声能喷嘴供油方式的级间燃烧室进行了性能试验研究.试验结果表明:当进口马赫数为0.20~0.40,燃烧室的熄火余气系数为25~35,燃烧室的稳定工作范围较宽;随余气系数增大,出口温度分布均匀性提高;燃烧效率为96%~98%,随余气系数减小,燃烧效率降低;进口马赫数对点火性能、熄火性能、出口温度分布和燃烧效率的影响较小;壁面热点温度出现在凹腔的后壁面;总压损失系数为0.03~0.11,热态时比冷态时高0.015左右; CO和NOx的排放指数分别为20~46和0.9~2.1,进口马赫数、余气系数均对污染物排放有较大影响.      

提高含硼固体燃料燃烧性能的研究

对含有用AP、KP、LiF包覆硼和镁的富燃料推进剂，采用多种技术研究了其燃烧过程，包括燃烧过程的观测与摄影记录、点火温度的测定、燃烧波的温度分布、热分解特性及残渣分析等。结果表明，AP，KP包覆可显著提高燃面温度及火焰温度；LiF包覆可有效降低推进剂的燃点及改善残渣的分散性；配方中添加镁可有效地加强硼粒子的点火及喷射。