铝/正庚烷基纳米流体燃料液滴着火和燃烧特性研究

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优化燃料着火特性是改善碳氢燃料着火燃烧性能的主要问题。纳米铝粉具有较高的体积能量密度,添加至液体碳氢燃料中能明显优化燃料的着火特性,同时能够降低燃料的着火延迟时间及着火温度,提高燃料燃速。然而当前对纳米流体燃料的研究相对匮乏。本文选取纳米铝颗粒作为添加剂,正庚烷作为基液,“两步法”制备成纳米流体燃料,采用挂液滴法研究纳米铝颗粒浓度、粒径及氧气浓度对纳米流体燃料着火特性的影响。具体研究成果如下:(1)蓖麻油酸是配置铝/正庚烷基纳米流体燃料的最佳表面活性剂,蓖麻油酸与纳米铝颗粒的质量比最佳值为1.5:1,最佳超声分散时间为50 min,采用条件制备的铝/正庚烷基纳米流体燃料稳定时间可延长至一周。(2)随温度升高,正庚烷着火延迟时间及着火温度均下降。温度越高,燃料在该温度下着火性能越好。其燃烧主要经历稳定燃烧、微爆、二次稳定燃烧三个阶段。随着温度升高,正庚烷液滴着火时碳烟浓度增加,燃烧过程中的微爆及溅射越明显,燃速增加。(3)表面活性剂加入到正庚烷中后,混合溶液着火延迟时间延长,但能够降低混合溶液的着火温度;温度越高,混合溶液的着火温度降低越明显。低浓度表面活性剂能够减少碳烟的产生,但浓度越高,观察到碳烟产生越明显,而表面活性剂浓度提高,液滴越难燃尽,在火焰消失后,液滴仍有残留。(4)纳米铝颗粒能够加速铝/正庚烷基纳米流体燃料液滴蒸发,促进其燃烧。相同浓度的纳米流体燃料着火延迟时间随温度升高而降低;温度不超过700℃时,纳米流体着火延迟时间随浓度升高而降低,但700℃以上时,浓度对纳米流体着火延迟时间的促进作用减弱;相同浓度的纳米流体燃料着火温度随温度升高而降低,但环境温度为600℃时,低浓度的纳米颗粒对纳米流体的着火起抑制作用。随着温度升高,纳米颗粒对液滴着火的促进作用先增强后减弱。(5)正庚烷中加入纳米铝颗粒后,液滴着火时碳烟浓度增加,同时加剧液滴微爆,增大液滴在着火过程中的形变程度。纳米铝颗粒浓度增大,液滴着火过程中溅射的小液滴尺寸越大而纳米流体火焰消失后均会出现纳米铝颗粒的溅射燃烧,但浓度越高,此过程越不明显。(6)纳米铝颗粒径对纳米流体燃料着火延迟时间几乎无影响,但它对纳米流体燃料着火温度有影响。在温度低于800℃时,纳米流体燃料的着火温度随着纳米颗粒粒径的增大先升高后降低;当温度高于800℃时,纳米流体燃料的着火温度随着纳米颗粒粒径的增大而增大。而且随着粒径的增大,液滴燃速降低,液滴的气泡产生及气泡微爆都会受到抑制。(7)氧气浓度通过改变反应物浓度改变了纳米流体燃料着火燃烧性能。增加氧气浓度,纳米流体的着火延迟时间及着火温度降低;在流动气氛下,纳米流体燃料出现二次燃烧,同时,未燃尽的纳米铝颗粒团簇成大颗粒后进一步着火,O2:N2=2:8的流动混合气氛下,纳米流体的着火性能比静止气氛下纳米流体的着火性能差。
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