鋯粉云瞬態(tài)火焰及連續(xù)噴射火焰特性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、金屬鋯粉因其燃燒速度大和燃燒熱量高的優(yōu)點(diǎn)，作為金屬燃料被廣泛應(yīng)用于航天和軍事領(lǐng)域，主要用在閃光燈粉末，焰火、炮彈、導(dǎo)火管、炸彈的定時(shí)信管和固體火箭推進(jìn)劑的燃料中。為了滿足航天和軍工上的應(yīng)用，鋯粉顆粒上被包覆上FeOOH\Fe2O3\Fe3O4納米顆粒形成核-殼結(jié)構(gòu)的包覆鋯粉，包覆后的鋯粉在燃燒性能上也發(fā)生了改變。為了全面了解鋯粉、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉在燃燒過程中的火焰特性，本文研制了粉塵云連續(xù)吹噴燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利

2、用粉塵云瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面分析了鋯粉云、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉云的瞬態(tài)火焰特性和連續(xù)噴射火焰特性，并結(jié)合粉體形貌分析、物相分析和高溫抗氧化性分析，探索以上幾種鋯粉云在空氣中的燃燒機(jī)理，為鋯粉云瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑ズ洼d粒流噴射燃燒的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　 本文首先利用粉塵云瞬態(tài)火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同濃度的鋯粉云和FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉云的火焰在管道中傳播的特性。研究結(jié)果表明：(1)對(duì)于相

3、同種類的粉塵云，當(dāng)其濃度較低時(shí)，隨粉塵云濃度的增大，燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，發(fā)光強(qiáng)度增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤罡呋鹧鏈囟纫搽S之增加。當(dāng)粉塵云濃度達(dá)到某一值時(shí)，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，火焰溫度最高。而后隨粉塵云濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟染徛陆担?2)對(duì)純鋯粉而言，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁鞎r(shí)對(duì)應(yīng)的粉塵云濃度為0.625kg/m3。對(duì)于摩爾比為1∶6（包覆物∶純鋯粉）的Fe2O3包覆鋯粉、FeOOH包覆鋯粉和Fe3O4包覆鋯粉，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁鞎r(shí)對(duì)應(yīng)

4、的粉塵云濃度分別為1.21kg/m3、1.15kg/m3和1.37kg/m3，當(dāng)摩爾比為1∶3時(shí)，對(duì)應(yīng)的濃度分別為1.13kg/m3、0.96kg/m3和1.32kg/m3。對(duì)于摩爾比相同的FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉，其最大火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥罡呋鹧鏈囟鹊呐判蚨际牵篎e2O3包覆鋯粉＞FeOOH包覆鋯粉＞Fe3O4包覆鋯粉。
　　 其次，本文研究了純鋯粉云、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉云的連續(xù)噴射火焰特

5、性，得到連續(xù)噴射火焰的火焰結(jié)構(gòu)、火焰穩(wěn)定性、火焰高度等特征以及粉塵云濃度對(duì)火焰發(fā)射率、最高火焰溫度和輻射熱通量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：(1)鋯粉云噴射火焰可近似認(rèn)為是一個(gè)軸對(duì)稱火焰體，噴射火焰可分為火焰連續(xù)區(qū)、間歇區(qū)及離散粒子區(qū)。風(fēng)速和粉塵云濃度之間的配比決定了粉塵云噴射火焰能否穩(wěn)定在燃燒器上燃燒。隨粉塵云濃度的增大，噴射火焰的平均火焰高度、平均火焰面積和平均火焰寬度均增大，但增大的幅度不同；(2)噴射火焰的溫度在軸向高度上的變化規(guī)律

6、是：從火焰底部到火焰連續(xù)區(qū)頂端，溫度隨高度的增加先升高后降低，在間歇區(qū)時(shí)火焰溫度又有所回升，粉塵云濃度較高時(shí)，最高火焰溫度的波動(dòng)幅度較小。隨粉塵云濃度的增加，火焰溫度整體升高；(3)噴射火焰下部的輻射熱通量大于上部，距噴射火焰越近，火焰的熱輻射作用越強(qiáng)，火焰上下的輻射熱通量的差值越大。隨粉塵云濃度的增加，火焰熱輻射作用整體增強(qiáng)；(4)鋯粉被包覆后，火焰溫度下降，火焰熱輻射作用減弱，火焰發(fā)射率增大，最高火焰溫度與火焰發(fā)射率成負(fù)相關(guān)關(guān)系。濃

7、度分別為0.328kg/m3、0.410kg/m3、0.485kg/m3的鋯粉云，其噴射火焰的發(fā)射率分別為0.2、0.19、0.18，最高火焰溫度分別為2147.5℃、2248.1℃、2377.8℃，輻射熱通量分別為350.31kW/m2、435.19kW/m2、559.88kW/m2。對(duì)于摩爾比為1∶6的FeOOH包覆鋯粉云，當(dāng)濃度為0.485kg/m3時(shí)，其噴射火焰的發(fā)射率為0.44，最高火焰溫度為1528.4℃。
　　 進(jìn)

8、而，本文建立了鋯粉云瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)的物理模型，鋯粉云火焰可劃分為預(yù)熱區(qū)、燃燒區(qū)和已燃區(qū)，在燃燒區(qū)內(nèi)，又可進(jìn)一步分為小粒子燃燒區(qū)、大小粒子混合燃燒區(qū)和大粒子燃燒區(qū)。同時(shí)還建立了鋯粉云多管噴射火焰的物理模型，將粉塵云多管噴射火焰簡(jiǎn)化為多根單管噴射火焰相互作用形成的疊加火焰，單束火焰與單束火焰之間彼此相互作用，在距離噴管出口上方一定距離處的火焰溫度達(dá)到最大。建立了噴射火焰中鋯顆粒群燃燒運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)模型，將鋯顆粒群向上燃燒運(yùn)動(dòng)過程分為點(diǎn)燃區(qū)、晶體轉(zhuǎn)

9、變區(qū)和燃盡區(qū)。
　　 最后，本文分析了鋯粉顆粒、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉顆粒在空氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。研究結(jié)果表明：(1)鋯粉、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆鋯粉在空氣中的燃燒都是增重的放熱反應(yīng)過程，鋯粉比包覆鋯粉的反應(yīng)開始溫度低，單位質(zhì)量放熱量大；包覆物越多（包覆層越厚），其反應(yīng)開始溫度越高，單位質(zhì)量放熱量越少；(2)根據(jù)固體化學(xué)中的金屬晶體結(jié)構(gòu)分析，鋯粉顆粒在空氣中燃燒時(shí)可能的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是：二氧