在冲击波载荷下，含有球形和片状铝颗粒的凝胶燃料的雾化与燃烧行为的比较研究

《Fuel》：A comparative study on the atomization and combustion behaviors of gel fuel containing spherical and flake aluminum particles under shock wave loading

冲击波载荷下球形与片状铝颗粒凝胶燃料的雾化、点火及燃烧行为对比研究，发现球形颗粒凝胶燃料雾化更易，点火延迟随冲击波强度增加呈指数下降，片状颗粒更显著依赖冲击波强度，燃烧持续时间球形更长且与冲击波强度相关性更强。

　　金属化凝胶燃料因其在燃烧性能和安全性方面的显著提升，成为先进航天器推进系统中高性能燃料的有力候选。相比传统液体燃料，凝胶燃料在储存时呈现固态特性，能够有效降低泄漏风险，同时在受到剪切力作用时表现出液态的流动能力，便于泵送和喷射。这种独特的物理性质使得凝胶燃料在航天推进领域具有广泛的应用前景。然而，凝胶燃料的燃烧特性，尤其是在冲击波加载条件下的表现，仍然是一个值得深入研究的课题。

本研究通过实验手段，对含有球形和片状铝颗粒的凝胶燃料在冲击波加载下的雾化、点火和燃烧行为进行了对比分析。实验使用了高速摄像机来捕捉冲击波作用下凝胶燃料的动态变化，并通过压力传感器测量了燃烧过程中产生的压力变化。研究结果表明，含有球形铝颗粒的凝胶燃料在冲击波作用下更容易实现雾化。这可能是由于球形颗粒在流体中更易于分散和流动，从而在冲击波的剪切力作用下表现出更佳的雾化效果。而片状铝颗粒由于其较大的表面积和较强的附着力，可能在冲击波作用下更难被分散，导致雾化效率相对较低。

尽管球形和片状铝颗粒在点火过程中所需的临界冲击波强度相同，均为马赫数3.06，但两者在点火延迟时间上表现出不同的压力依赖性。研究发现，含有片状铝颗粒的凝胶燃料在点火延迟时间上随着冲击波强度的增加而呈现出更显著的变化。这表明片状铝颗粒在点火过程中可能受到更多的物理和化学因素影响，如表面氧化反应或颗粒之间的相互作用。相比之下，球形铝颗粒的点火延迟时间虽然也随冲击波强度的增加而减少，但变化幅度较小，说明其点火行为在一定程度上更为稳定。

在燃烧过程中，含有球形铝颗粒的凝胶燃料表现出更长的燃烧持续时间，并且燃烧持续时间与冲击波强度之间的关系更为显著。这一现象可能与球形铝颗粒在燃烧过程中的热释放特性有关。球形颗粒由于其对称的几何形状，可能在燃烧过程中更均匀地释放热量，从而延长燃烧时间。而片状铝颗粒由于其较大的表面积，可能在燃烧初期更快地释放热量，导致燃烧过程更快结束。此外，球形铝颗粒的燃烧行为对冲击波强度的变化更为敏感，这表明其燃烧效率在不同冲击波条件下可能存在更大的波动。

研究还发现，铝颗粒在燃烧过程中会形成一层氧化铝（Al?O?）膜，这层膜可能对燃烧效率产生负面影响。由于氧化铝膜的形成，铝颗粒的燃烧速率可能受到抑制，导致整体燃烧效率降低。然而，通过实验数据可以看出，即使存在这种不利影响，含有铝颗粒的凝胶燃料仍然能够实现较高的燃烧效率，尤其是在较高的铝颗粒含量条件下。例如，某些研究指出，当铝颗粒含量达到23%时，凝胶燃料仍能保持良好的泵送性能，并且燃烧效率较高。

在探索其他金属颗粒作为添加剂的可能性方面，研究者们发现了一些值得关注的成果。例如，含有铜颗粒的凝胶燃料表现出更高的细小碎片喷射速度和更大的燃烧区域平均直径，这可能意味着铜颗粒在燃烧过程中能够释放更多的能量。同时，硼颗粒的添加也显示出一定的潜力，尽管其燃烧效率随着含量的增加而有所下降，但当硼颗粒含量达到40%时，基于温度升高的燃烧效率仍能达到80%。这些研究结果表明，除了铝颗粒外，其他金属颗粒也可能成为提高凝胶燃料燃烧性能的有效添加剂。

在燃烧过程的可视化方面，研究使用了Schlieren技术和背光方法来观察凝胶燃料在冲击波作用下的雾化和点火行为。Schlieren技术能够捕捉流体密度变化带来的光线折射差异，从而提供清晰的雾化图像。背光方法则有助于观察燃烧过程中燃料的分布和燃烧形态的变化。通过这些技术手段，研究人员能够更直观地了解冲击波对凝胶燃料雾化和燃烧过程的影响。

此外，研究还强调了凝胶燃料在冲击波加载下的雾化过程。冲击波与高速气流的共同作用是导致凝胶燃料雾化的关键因素。在冲击波作用下，凝胶燃料的内部结构被破坏，使其更容易被气流分散。这一过程不仅影响燃料的雾化效果，还可能对点火和燃烧行为产生深远的影响。例如，冲击波的强度越高，凝胶燃料的雾化效果越显著，这可能意味着更高的燃烧效率。

在燃烧效率方面，研究发现含有铝颗粒的凝胶燃料在某些条件下能够实现较高的燃烧效率。然而，这种效率的提升往往伴随着燃烧过程中的某些挑战，如氧化铝膜的形成。因此，如何在提高燃烧效率的同时减少氧化铝膜对燃烧过程的负面影响，仍然是一个需要进一步研究的问题。目前，一些研究者正在探索通过优化凝胶燃料的配方和结构来改善这一问题，例如通过添加其他物质来抑制氧化铝膜的形成，或者通过改变铝颗粒的形状和尺寸来提高其燃烧效率。

在实际应用中，金属化凝胶燃料的性能表现对于航天推进系统的效率和安全性至关重要。研究结果表明，含有球形铝颗粒的凝胶燃料在冲击波加载下表现出更优的雾化和燃烧特性，这可能使其在某些高能推进系统中具有更大的应用潜力。然而，片状铝颗粒在点火延迟时间上的显著变化也提示，在某些情况下，其点火性能可能更具优势。因此，选择合适的铝颗粒形状对于凝胶燃料的性能优化具有重要意义。

总体而言，本研究为金属化凝胶燃料的雾化行为和燃烧机制提供了新的见解。通过实验数据，研究人员不仅揭示了不同铝颗粒形状对凝胶燃料性能的影响，还建立了燃烧参数与冲击波强度之间的关系。这些研究成果对于金属化凝胶燃料的设计和实际应用具有重要的参考价值。未来的研究可以进一步探讨其他金属颗粒的添加效果，以及如何通过调整凝胶燃料的配方和结构来优化其燃烧性能。此外，研究还可以扩展到不同类型的冲击波加载条件，以更全面地了解金属化凝胶燃料在各种环境下的表现。