鋯粉云瞬態(tài)火焰及連續(xù)噴射火焰特性的實驗研究.pdf

1、金屬鋯粉因其燃燒速度大和燃燒熱量高的優(yōu)點，作為金屬燃料被廣泛應用于航天和軍事領域，主要用在閃光燈粉末，焰火、炮彈、導火管、炸彈的定時信管和固體火箭推進劑的燃料中。為了滿足航天和軍工上的應用，鋯粉顆粒上被包覆上FeOOH\Fe2O3\Fe3O4納米顆粒形成核-殼結構的包覆鋯粉，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)吹噴燃燒實驗系統(tǒng)，并利

2、用粉塵云瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑嶒炏到y(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理，為鋯粉云瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑ズ洼d粒流噴射燃燒的應用提供理論基礎。
　　 本文首先利用粉塵云瞬態(tài)火焰實驗系統(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。研究結果表明：(1)對于相

3、同種類的粉塵云，當其濃度較低時，隨粉塵云濃度的增大，燃燒強度增強，發(fā)光強度增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，最高火焰溫度也隨之增加。當粉塵云濃度達到某一值時，此時火焰?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)對純鋯粉而言，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁鞎r對應的粉塵云濃度為0.625kg/m3。對于摩爾比為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對應

4、的粉塵云濃度分別為1.21kg/m3、1.15kg/m3和1.37kg/m3，當摩爾比為1∶3時，對應的濃度分別為1.13kg/m3、0.96kg/m3和1.32kg/m3。對于摩爾比相同的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)噴射火焰的火焰結構、火焰穩(wěn)定性、火焰高度等特征以及粉塵云濃度對火焰發(fā)射率、最高火焰溫度和輻射熱通量的影響規(guī)律。研究結果表明：(1)鋯粉云噴射火焰可近似認為是一個軸對稱火焰體，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)時火焰溫度又有所回升，粉塵云濃度較高時，最高火焰溫度的波動幅度較小。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，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；(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)射率成負相關關系。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。對于摩爾比為1∶6的FeOOH包覆鋯粉云，當濃度為0.485kg/m3時，其噴射火焰的發(fā)射率為0.44，最高火焰溫度為1528.4℃。
　　 進

8、而，本文建立了鋯粉云瞬態(tài)火焰結構的物理模型，鋯粉云火焰可劃分為預熱區(qū)、燃燒區(qū)和已燃區(qū)，在燃燒區(qū)內，又可進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到最大。建立了噴射火焰中鋯顆粒群燃燒運動的結構模型，將鋯顆粒群向上燃燒運動過程分為點燃區(qū)、晶體轉

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反應機理。研究結果表明：(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過程，鋯粉比包覆鋯粉的反應開始溫度低，單位質量放熱量大；包覆物越多（包覆層越厚），其反應開始溫度越高，單位質量放熱量越少；(2)根據(jù)固體化學中的金屬晶體結構分析，鋯粉顆粒在空氣中燃燒時可能的化學反應機理是：二氧