论火焰锆粉云瞬态火焰及连续喷射火焰特性实验

论文导读：OH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉云的连续喷射火焰特性,得到连续喷射火焰的火焰结构、火焰稳定性、火焰高度等特点以及粉尘云浓度对火焰发射率、最高火焰温度和辐射热通量的影响规律。探讨结果表明：(1)锆粉云喷射火焰可近似认为是一个轴对称火焰体,喷射火焰可分为火焰连续区、间歇区及离散粒子区。风速和粉尘云浓度之间的配比决定了粉
摘要：金属锆粉因其燃烧速度大和燃烧热量高的优点,作为金属燃料被广泛运用于航天和军事领域,主要用在闪光灯粉末,焰火、炮弹、导火管、炸弹的定时信管和固体火箭推进剂的燃料中。为了满足航天和军工上的运用,锆粉颗粒上被包覆上FeOOH\Fe2O3\Fe3O4纳米颗粒形成核-壳结构的包覆锆粉,包覆后的锆粉在燃烧性能上也发生了转变。为了全面了解锆粉、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉在燃烧历程中的火焰特性,本论文研制了粉尘云连续吹喷燃烧实验系统,并利用粉尘云瞬态火焰传播实验系统,全面浅析了锆粉云、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉云的瞬态火焰特性和连续喷射火焰特性,并结合粉体形貌浅析、物相浅析和高温抗氧化性浅析,探讨以上几种锆粉云在空气中的燃烧机理,为锆粉云瞬态火焰传播和载粒流喷射燃烧的运用提供论述基础。本论文首先利用粉尘云瞬态火焰实验系统,探讨了不同浓度的锆粉云和FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉云的火焰在管道中传播的特性。探讨结果表明：(1)对于相同种类的粉尘云,当其浓度较低时,随粉尘云浓度的增大,燃烧强度增强发光强度增大,火焰传播速度加速,最高火焰温度也随之增加。当粉尘云浓度达到某一值时,此时火焰传播速度最快,火焰温度最高。而后随粉尘云浓度的增加火焰传播速度和火焰温度均缓慢下降；(2)对纯锆粉而言,火焰传播速度最快时对应的粉尘云浓度为0.625kg/m3。对于摩尔比为1：6(包覆物：纯锆粉)的Fe203包覆锆粉、FeOOH包覆锆粉和Fe304包覆锆粉,火焰传播速度最快时对应的粉尘云浓度分别为1.21kg/m3、1.15kg/m3和1.37kg/m3,当摩尔比为1：3时,对应的浓度分别为1.13kg/m3、0.96kg/m3和1.32kg/m3。对于摩尔比相同的FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉,其最大火焰传播速度和最高火焰温度的排序都是：Fe203包覆锆粉FeOOH包覆锆粉Fe304包覆锆粉。其次,本论文探讨了纯锆粉云、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉云的连续喷射火焰特性,得到连续喷射火焰的火焰结构、火焰稳定性、火焰高度等特点以及粉尘云浓度对火焰发射率、最高火焰温度和辐射热通量的影响规律。探讨结果表明：(1)锆粉云喷射火焰可近似认为是一个轴对称火焰体,喷射火焰可分为火焰连续区、间歇区及离散粒子区。风速和粉尘云浓度之间的配比决定了粉尘云喷射火焰能否稳定在燃烧器上燃烧。随粉尘云浓度的增大,喷射火焰的平均火焰高度、平均火焰面积和平均火焰宽度均增大,但增大的幅度不同；(2)喷射火焰的温度在轴向高度上的变化规律是：以火焰底部到火焰连续区顶端,温度随高度的增加先升高后降低,在间歇区时火焰温度又有所回升,粉尘云浓度较高时,最高火焰温度的波动幅度较小。随粉尘云浓度的增加,火焰温度整体升高；(3)喷射火焰下部的辐射热通量大于上部,距喷射火焰越近,火焰的热辐射作用越强,火焰上下的辐射热通量的差值越大。随粉尘云浓度的增加,火焰热辐射作用整体增强；(4)锆粉被包覆后,火焰温度下降,火焰热辐射作用减弱,火焰发射率增大,最高火焰温度与火焰发射率成负相关联系。浓度分别为0.328kg/m3、0410kg/m3、0.485kg/m3的锆粉云,其喷射火焰的发射率分别为0.2、0.19、0.18,最高火焰温度分别为2147.5℃、2248.1℃、2377.8℃,辐射热通量分别为350.31kW/m2、435.19kW/m2、559.88kW/m2。对于摩尔比为1：6的FeOOH包覆锆粉云,当浓度为0.485kg/m3时,其喷射火焰的发射率为0.44,最高火焰温度为1528.4℃。进而,本论文建立了锆粉云瞬态火焰结构的物理模型,锆粉云火焰可划分为预热区、燃烧区和已燃区,在燃烧区内,又可进一步分为小粒子燃烧区、大小粒子混合燃烧区和大粒子燃烧区。同时还建立了锆粉云多管喷射火焰的物理模型,将粉尘云多管喷射火焰简化为多根单管喷射火焰相互作用形成的叠加火焰,单束火焰与单束火焰之间彼此相互作用,在距离喷管出口上方一定距离处的火焰温度达到最大。建立了喷射火焰中锆颗粒群燃烧运动的结构模型,将锆颗粒群向上燃烧运动历程分为点燃区、晶体转变区和燃尽区。最后,本论文浅析了锆粉颗粒、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉颗粒在空气中燃烧的化学反应机理。探讨结果论文导读：锆粉物相浅析483.1.3锆粉粒度浅析48-493.2锆粉云的瞬态火焰特性探讨49-603.2.1锆粉云瞬态火焰在管道中的传播历程49-533.2.2锆粉云浓度对火焰传播速度的影响53-563.2.3锆粉云浓度对火焰温度的影响56-603.3锆粉云火焰传播机理60-623.4本章小结62-63参考文献63-65第四章锆粉云连续喷射火焰特性探讨65-99

4.1粉尘云浓度

表明：(1)锆粉、FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉在空气中的燃烧都是增重的放热反应历程,锆粉比包覆锆粉的反应开始温度低,单位质量放热量大；包覆物越多(包覆层越厚),其反应开始温度越高,单位质量放热量越少；(2)根据固体化学中的金属晶体结构浅析,锆粉颗粒在空气中燃烧时可能的化学反应机理是：二氧化锆与锆中含有的某些微量元素的氧化物形成了二氧化锆固溶体,固溶体中含有大量的氧离子空位,外界氧离子通过氧离子空位扩散到锆金属表面,与锆继续发生化学反应；(3) FeOOH\Fe2O3\Fe3O4包覆锆粉颗粒在空气中燃烧的化学反应机理是：包覆层与内核锆层发生了置换反应,内核锆与氧气发生了氧化还原反应,生成的铁单质在高温下被氧化,Fe203在800℃左右发生热分解,另外FeOOH包覆锆颗粒多了一个脱羟基历程。关键词：锆粉云论文包覆锆粉云论文瞬态火焰论文喷射火焰论文火焰结构论文火焰传播速度论文火焰温度论文辐射热通量论文发射率论文燃烧机理论文
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ABSTRACT7-11
目录11-15
第一章 绪论15-25

1.1 探讨背景15-16

1.2 粉尘云燃烧探讨近况16-20

1.2.2 粉尘云火焰传播特性探讨16-18

1.2.3 粉尘云连续燃烧特性探讨18-20

1.3 核-壳结构复合材料20

1.4 前人探讨不足20-21

1.5 本论文探讨内容及技术路线21-22

参考文献22-25
第二章 实验系统与实验策略25-47

2.1 粉尘云瞬态火焰传播实验系统组成及实验策略25-32

2.

1.1 燃烧管道25-26

2.

1.2 配气-喷粉系统26-27

2.

1.3 高压点火系统27

2.

1.4 时间同步制约系统27-28

2.

1.5 高速摄像系统28-29

2.

1.6 热电偶29-30

2.

1.7 数据采集仪30-31

2.

1.8 实验策略及步骤31-32

2.2 粉尘云连续吹喷燃烧实验系统组成及实验策略32-45

2.1 进粉系统32-36

2.2 进气系统36-37

2.3 气-粉混合系统37

2.4 燃烧器37-39

2.5 点火系统39-40

2.6 红外热像系统40-42

2.7 辐射热流计42-43

2.8 实验策略及步骤43-44

2.9 实验系统设计优点44-45

2.3 本章小结45-46

参考文献46-47
第三章 锆粉云瞬态火焰特性探讨47-65

3.1 锆粉材料47-49

3.

1.1 锆粉形貌浅析48

3.

1.2 锆粉物相浅析48

3.

1.3 锆粉粒度浅析48-49

3.2 锆粉云的瞬态火焰特性探讨49-60
3.

2.1 锆粉云瞬态火焰在管道中的传播历程49-53

3.

2.2 锆粉云浓度对火焰传播速度的影响53-56

3.

2.3 锆粉云浓度对火焰温度的影响56-60

3.3 锆粉云火焰传播机理60-62

3.4 本章小结62-63

参考文献63-65
第四章 锆粉云连续喷射火焰特性探讨65-99

4.1 粉尘云浓度的测量65-66

4.2 锆粉云连续喷射火焰的形状和结构66-69

4.3 锆粉云喷射火焰的稳定性浅析69-76

4.

3.1 火焰向上传播速度69-71

4.

3.2 火焰向下传播速度及火焰稳定性71-73

4.

3.3 火焰高度73-76

4.4 锆粉云连续喷射火焰温度特点76-84

4.1 锆粉云喷射燃烧阶段的划分77-79

4.2 喷射火焰的高速自发光图像和红外热像图的比较79-80

4.3 锆粉云连续喷射火焰发射率的确定80-83

4.4 锆粉云连续喷射最高火焰温度随时间的变化83

4.5 锆粉云连续喷射火焰温度在轴向高度上的变化83-84

4.5 锆粉云连续喷射火焰热辐射特点84-88

4.5.1 喷射火焰热辐射模型84-86

4.5.2 喷射火焰辐射热通量的分布86-87

4.5.3 喷射火焰发射率与最高火焰温度的联系87-88

4.6 锆粉云多管喷射火焰形成机理探讨88-95

4.6.1 锆粉燃烧产物物相浅析88-89

4.6.2 锆粉燃烧产物形貌浅析89-90

4.6.3 锆粉高温抗氧化性浅析90-91

4.6.4 锆粉颗粒的燃烧机理论文导读：1085.2.4包覆材料对火焰传播速度的影响108-1115.2.5包覆材料对火焰温度的影响111-1135.3包覆锆粉云连续喷射火焰特性探讨113-1165.3.1FeOOH包覆锆粉云连续喷射火焰的高速自发光图像113-1145.3.2FeOOH包覆锆粉云喷射火焰发射率的确定和温度特点114-1165.5包覆锆粉燃烧机理探讨116-1275.5.1包覆锆粉燃烧产物物相浅析117
91-93

4.6.5 锆粉云多管喷射火焰的物理模型93-95

4.6.6 喷射火焰中锆颗粒群燃烧运动的结构模型95

4.7 本章小结95-97

参考文献97-99
第五章 包覆锆粉云瞬态火焰及连续喷射火焰特性探讨99-131

5.1 包覆锆粉材料99-101

5.

1.1 包覆锆粉的准备99-100

5.

1.2 包覆锆粉形貌浅析100-101

5.2 包覆锆粉云瞬态火焰特性探讨101-113
5.

2.1 FeOOH包覆锆粉云瞬态火焰传播历程101-104

5.

2.2 Fe_2O_3包覆锆粉云瞬态火焰传播历程104-106

5.

2.3 Fe_3O_4包覆锆粉云瞬态火焰传播历程106-108

5.

2.4 包覆材料对火焰传播速度的影响108-111

5.

2.5 包覆材料对火焰温度的影响111-113

5.3 包覆锆粉云连续喷射火焰特性探讨113-116
5.

3.1 FeOOH包覆锆粉云连续喷射火焰的高速自发光图像113-114

5.

3.2 FeOOH包覆锆粉云喷射火焰发射率的确定和温度特点114-116

5.5 包覆锆粉燃烧机理探讨116-127

5.1 包覆锆粉燃烧产物物相浅析117-118

5.2 包覆锆粉燃烧产物形貌浅析118-120

5.3 包覆锆粉高温抗氧化性浅析120-126

5.4 包覆锆粉燃烧机理推理126-127

5.6 本章小结127-130

参考文献130-131
第六章 结论与展望131-135

6.1 本论文探讨主要结论131-133

6.2 本论新点133

6.3 下一步工作展望133-135

致谢135-137
在读期间发表的学术论文与取得的其他探讨成果137