含铝碳氢凝胶燃料喷雾火焰中纳米铝的团聚机理

In the combustion process of aluminized gelled hydrocarbon fuel, agglomeration of nano aluminum in the spray flames has key effect on combustion characteristics of gelled fuel, which is crucial for the engine performance and work safety. Through experimental research on agglomeration process of nano aluminum in spray flames of aluminized gelled hydrocarbon fuel using optical diagnostics and condensed products analysis, the kinetic process of nano aluminum agglomeration in spray flames can be understood. By obtaining the effects of initial sizes of spray droplets as well as the type and content of gellant on the agglomeration process, the coupling effects between agglomeration and combustion can be revealed, and the key scientific problem focusing on the mechanism for nano aluminum agglomeration in spray flames of gelled fuel can also be broken through. The research results at this stage will establish a theoretical foundation for further study of combustion process and characteristics of nano aluminized gelled hydrocarbon fuel, and they will also be a thrust for realizing efficient combustion of aluminized gelled hydrocarbon fuel in the application of propulsion.

在含铝碳氢凝胶燃料喷雾燃烧过程中，纳米铝在火焰中的团聚现象对凝胶燃料的燃烧特性具有关键影响，对发动机性能和工作安全至关重要。通过开展含铝碳氢凝胶燃料喷雾火焰中纳米铝团聚过程的实验研究，利用燃烧光学诊断方法和凝相产物分析手段，可获得对纳米铝在喷雾火焰中团聚过程的动力学认识，获得初始喷雾液滴尺寸和凝胶剂种类及含量对纳米铝团聚过程的影响规律，揭示纳米铝团聚过程与燃烧过程的耦合影响机制，突破纳米铝在含铝碳氢凝胶燃料喷雾火焰中团聚机理这一关键科学问题。本项目所取得的阶段性研究成果将为纳米铝碳氢凝胶燃料燃烧过程及燃烧特性的研究奠定理论基础，对实现纳米铝碳氢凝胶燃料在发动机中的高效燃烧具有重要的推动作用。

由于具有较高的能量密度和较低的燃烧耗氧量，纳米铝碳氢凝胶燃料有望替代传统的航空煤油，大幅提高发动机比推力，增大飞行器航程，在吸气式发动机中具有较好的应用前景。在含铝碳氢凝胶燃料喷雾燃烧过程中，纳米铝在火焰中的团聚现象对凝胶燃料的燃烧特性具有关键影响，对发动机性能和工作安全至关重要。项目获得了高能量密度煤油和添加纳米铝粉的碳氢凝胶燃料在旋流喷嘴下的喷注雾化数据，得到了不同喷孔直径和喷注压力下的雾化粒径分布特征。针对添加15%纳米铝粉的碳氢凝胶燃料，在喷嘴下方5cm处实现了索太尔平均直径小于30微米的雾化效果。项目设计并测试了高温伴流喷雾燃烧试验系统，采用气态乙烯作为测试对象，通过高精度数值模拟和PLIF测量手段对系统的燃烧特性进行了详细的标定。针对不同种类的高能量密度煤油，开展了喷雾燃烧特性研究，获得了相应的火焰抬升高度、燃烧振荡幅度等火焰特征数据，并最终实现了含15%纳米铝碳氢凝胶燃料的稳定喷雾燃烧。项目所取得的阶段性研究成果将为纳米铝碳氢凝胶燃料燃烧过程及燃烧特性的研究奠定理论基础，对实现纳米铝碳氢凝胶燃料在发动机中的高效燃烧具有重要的推动作用。