微/纳米铝颗粒在微尺度下的激光点火及燃烧特性研究

摘要

本文开展了微/纳米铝粉在微燃烧室内激光点火及燃烧特性研究。在研究过程中采用了红外激光点火技术、微燃烧技术、显微测量技术、图像处理等多种技术手段，开发出一套固体微颗粒燃料在微燃烧室内激光点火及燃烧的光学诊断实验系统，可以实现颗粒形状、粒径、点火延迟时间、颗粒燃烧辐射信号等参数的测量。本文研究的主要内容包括：
　　（1）微燃烧室内单颗微米铝颗粒的激光点火、燃烧研究。采用激光点火技术在微燃烧器内常温常压静止空气流下对单颗铝颗粒成功实现点火，对其着火、燃烧特性参数进行测量。结果表明：初始粒径范围为2-4μm时，最低点火功率为35.1mW，粒径为5-8μm的铝颗粒，最低点火功率为63.2mW，对于9-10μm的铝颗粒，最低点火功率为84.1mW。当激光的点火功率为72.7mW时，粒径范围为2-8μm的铝颗粒，其点火延迟时间为0.2-0.4ms；当激光的点火功率为111.7mW时，对于4-8μm的铝颗粒，其点火延迟时间为0.3-0.4ms，对于9-12μm的铝颗粒，其点火延迟时间为0.6-1.2ms；可见，铝颗粒的最低点火功率随着颗粒粒径增加而增加，点火延迟时间随着颗粒初始粒径增加有增大的趋势。根据热力着火理论，当燃料获得的能量与损失的能量达到平衡时发生着火。对于金属燃料，其粒径尺寸大大影响点火延迟时间。粒径越小，比表面积越大，获得的热量越快，易于点燃。单颗铝颗粒在微燃烧室内先发生非均相着火，而后转变为均相着火，燃烧过程中火焰亮度发生剧烈振荡，由于燃烧室壁面热损失大导致火焰淬熄。
　　（2）微燃烧室内纳米铝粉的激光点火、燃烧研究。结合纳米铝氧化理论、颗粒间烧结模型和纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧现象，提出纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧模式。在微燃烧室内常温常压静止空气流中，纳米铝粉的最低激光点火功率为28.7mW，点火延迟时间在μs量级。当点火功率相同时，点火延迟时间受圆形度、等效粒径和堆积密度等综合因素的影响。纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧过程包括燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄四个阶段。纳米铝粉的燃烧启动过程包括激光预热、铝核升温熔化导致核壳破裂引起异相着火。着火后，在自然对流作用下，纳米铝粉发生扩散燃烧，燃烧过程中，扩散燃烧火焰的锋面、亮度出现振荡，燃烧处于不稳定状态。微尺度下纳米铝粉燃烧存在弱火焰形式，最终发生淬熄。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2金属燃料燃烧研究现状

1.3本文的研究内容和目的

1.4本章小结

2激光点火技术及实验装置

2.1 引言

2.2激光点火理论

2.3 实验系统

2.4本章小结

3 微燃烧室内单颗微米铝颗粒的激光点火实验

3.1 引言

3.2微米铝粉的理论模型

3.3实验准备和方法

3.4结果分析与讨论

3.5微尺度下铝颗粒点火燃烧机理分析

3.6本章小结

4微燃烧室内纳米铝粉的激光点火实验

4.1引言

4.2 纳米铝粉的点火和燃烧理论

4.3 实验材料和系统

4.4 纳米铝粉的激光点火

4.5 纳米铝粉的燃烧

4.6微尺度下纳米铝颗粒团的点火、燃烧模式

4.7本章小结

5全文总结及工作展望

5.1全文总结

5.2本文创新点

5.3工作展望

致谢

参考文献

附录