基于流变特性的含铝凝胶燃料制备工艺研究

为提升液固燃料的结构稳定性,以无机纳米颗粒为凝胶剂制备了环氧丙烷基凝胶基质,在基质中引入微米铝粉,得到含铝凝胶燃料。通过测定凝胶基质的弹性模量G′0和线性区范围γc,分析了超声和热处理对纳米颗粒成胶的影响。针对不同含铝量的凝胶燃料,在不同剪切速率(0.1~2000.0 s^(-1))下,进行了旋转剪切测试,并研究了剪切历史对燃料流动曲线的影响。结果表明,超声和加热对纳米颗粒的成胶效果皆有促进作用。低剪切速率(<100 s^(-1))下,剪切历史会使得凝胶体系黏度增高;超过100 s^(-1)后,黏度较无剪切历史的样品低。流动曲线显示,含铝凝胶燃料在100 s^(-1)附近出现增稠现象,而更高的剪切速率直接导致凝胶结构在短时间内出现不可逆破坏,致使黏度迅速降低。

有机凝胶燃料液滴燃烧过程相分离现象

要掌握凝胶推进剂在燃烧室内燃烧特性,必须首先认识清楚单个凝胶推进剂液滴的燃烧机理。为了揭示凝胶燃料液滴特殊的燃烧机制,在考虑相分离阶段液滴内部温度和浓度梯度变化的基础上,完善并发展了一种新的数学模型来描述凝胶燃料液滴的相分离过程,并且用之研究了凝胶燃料单液滴蒸发/燃烧过程中的相分离特性。研究结果表明:相分离阶段,液滴的半径按d2定律收缩,与实验结果吻合;液滴点火后,火焰由初始位置向液滴外围扩展,火焰温度不断上升,并且逐渐趋于稳定;相分离前期,在液滴内部,特别是表面附近的区域,质量的输运较热量输运容易,而相分离后期则呈现相反趋势,这就导致在相应的区域相分离前期比后期有更大的温度梯度,而相分离后期比前期有更大燃料浓度梯度。

气相二氧化硅/汽油凝胶燃料流变特性实验研究

为了较为全面地了解凝胶燃料的流变特性,采用超声波振荡与机械搅拌相结合的方法制备了含铝与不含铝的气相二氧化硅/汽油凝胶燃料,使用旋转流变仪实验研究了各凝胶燃料的剪切变稀特性、触变性、屈服应力与粘弹性等流变参数。结果表明:气相二氧化硅/汽油凝胶燃料具有明显的剪切变稀特性和不可逆触变性。凝胶剂含量增加,凝胶燃料粘度和屈服应力增大。添加10μm粒径铝粉的粘度和屈服应力比5μm粒径铝粉的大,比1μm粒径铝粉的小,但均比不含铝凝胶燃料的大。凝胶燃料在低频振荡下更接近于流体,在高频振荡下具有类固体特征。

含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程瞬态特性

为了解含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程的瞬态机理,建立了含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机数学物理模型。采用守恒元与求解元数值计算方法,对单循环含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机流场进行了数值仿真,分析了其爆轰反应过程与冲量产生过程的瞬态特征。计算结果表明,爆轰波作用下,凝胶燃料液滴变化以剥离破碎为主,燃料液滴中铝颗粒随液滴剥离弥散于爆轰管内并参与反应,累积在最后阶段反应的铝颗粒较少。凝胶燃料爆轰燃气排放过程可划分为爆轰附着膨胀、燃气"壅塞"膨胀和膨胀减弱等3个典型特征阶段。研究结果对凝胶燃料脉冲爆轰发动机的应用研究具有参考意义。

凝胶燃料单滴燃烧的建模、实验及应用

讨论了凝胶燃料单个液滴燃烧的建模、实验研究和应用问题。单滴燃烧建模的关键在于依据凝胶燃料的胶凝结构和组份物性,确定燃烧过程的关键步骤,提炼主要影响因素。单滴燃烧实验研究的水平主要依赖于微小液滴的生成技术,高分辨率和高速成像技术,燃气成份的准确快速测量技术等光学测试技术的发展。单滴燃烧研究的主要应用在于揭示燃料的燃烧机理,分析燃料的燃烧特性,提高燃烧装置的设计水平。

凝胶燃料的制备

介绍了酒清、汽油及其混合物等液体燃料的固化方法，制备条件和测试结果。

含纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料理化及流变性能

为了提高液体燃料能量并解决纳米金属颗粒在燃料中沉降的问题,研究以有机小分子凝胶剂(LMWG)为凝胶因子,制备了含有纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料,测定了最低凝胶剂含量和凝胶相转变温度,探讨了凝胶剂含量和纳米铝颗粒含量对燃料密度、黏度、离心稳定性等物理化学性能的影响,通过剪切变稀测试、触变性测试、应变扫描、频率扫描等测试了凝胶燃料的流变性能。结果表明,纳米铝颗粒在LMWG/JP-10凝胶燃料中稳定分散,同时凝胶燃料可以在施加剪切力或加热的条件下实现凝胶态与液态的相互转变;铝颗粒的加入显著提高了燃料的密度、体积热值和黏度,当纳米铝颗粒含量为25%时,2%LMWG/JP-10的密度为1.156 g·mL^-1,剪切黏度为840 mPa·s,体积热值为45.8 MJ·L^-1。铝颗粒含量少于25%时会影响凝胶体系的稳定性,但当铝颗粒含量达到25%时,体系的稳定性超过同等LMWG凝胶剂含量的纯燃料。铝颗粒的加入显著增强凝胶体系的机械强度和结构稳定性,但燃料依旧保持良好的剪切变稀特性,并且无法恢复至受剪切作用前的状态。

含铝凝胶燃料的流变特性研究

在庚烷/硝酸异丙酯混合体系中加入不同粒径的无机纳米凝胶剂,实现燃料凝胶化;并在部分样品中添加纳米铝粉,制得一系列凝胶燃料;以此来研究凝胶剂粒径和铝粉含量对凝胶燃料流变性能的影响规律。采用激光共聚焦显微镜、比重杯和氧弹量热仪测试凝胶燃料的微观形貌、密度与燃烧热;利用流变仪测试凝胶燃料的剪切变稀性、蠕变性以及非线性黏弹性等流变性能。结果表明:凝胶化的燃料具有更高的密度和体积燃烧热;大粒径凝胶剂体系的假塑性更明显,网络强度更大,但内部结构易碎;铝粉的加入破坏了絮凝体网络的连续性,增强了凝胶燃料的塑性,降低了蠕变恢复能力,但会提升凝胶燃料的整体强度。添加质量分数20%的铝粉后,凝胶燃料的零切黏度η_(0)提高了6倍,储能模量G′_(0)提高了3倍,蠕变恢复能力r_(c)下降了33%。

凝胶燃料的雾化特性表征

在当前凝胶燃料研究中,重点是研究凝胶推进剂雾化过程的流变特性。实验证明假塑性的、有粘性但无弹性的水凝胶具有同牛顿液体一样的雾化模式,只是它们的雾化过程难度较大。实验结果说明雾化过程深受燃料中凝胶含量和喷注器几何形状的影响。由于凝胶组分含量升高引起剪切粘度升高,索太尔平均直径(SMD)也随之增加。宽角度的收敛流喷注器需要较小上游压力来达到与三个一组对称喷嘴相同的雾化性能。本研究还验证了通过凝胶剂融合来达到理想的流变特性。

基于SPH方法的凝胶燃料单滴微爆过程模拟

为探究凝胶燃料单滴微爆过程中液滴形态和物理量变化规律,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对JP-8金属凝胶液滴的微爆过程进行数值模拟研究。引入完全变光滑长度SPH方法解决气泡膨胀过程中密度梯度和光滑长度梯度变化剧烈的问题。采用修正JCD(Johnson-Cook Damage)强度模型模拟了弹性胶凝剂膜。模拟了凝胶液滴微爆过程中,内部气泡生长、膨胀、破壳、喷射等过程。得到了气泡变形过程中液滴内部压力和胶凝剂膜的应力变化特性。探索了凝胶液滴微爆过程中液滴半径、压力、拉伸应力、表面张力等物理量的变化规律。数值模拟结果显示,随着时间的推移,凝胶液滴体积逐渐膨胀,压力震荡上升,当直径膨胀比D/D0达到1.4时,胶凝剂膜破裂,液滴体积迅速缩小,压力急剧下降。对于多气泡凝胶液滴,大气泡相对小气泡膨胀更快,且大气泡产生对壁面的压力更大,导致胶凝剂膜在靠近大气泡附近破裂,破裂时间相较于单一气泡有所缩短。数值模拟结果与实验结果相吻合,揭示了凝胶液滴微爆过程的内在机理,验证了SPH算法在解决此类问题上的有效性。

高触变性高密度凝胶碳氢燃料的制备及性能

采用有机凝胶剂(Gn)和气相二氧化硅(SiO2)分别与HD-01、HD-03、HD-03-I、QC 四种纯液体高密度燃料制备了相应的凝胶碳氢燃料,研究了所需凝胶剂Gn 和SiO2的最小添加量,测定了凝胶碳氢燃料的密度、黏度、热值等基础物理性质。考察了其热稳定性、离心稳定性、长期存储挥发性等稳定性能,以及流变性能。结果表明,至少添加6% SiO2才能使纯液体高密度燃料形成凝胶碳氢燃料,而Gn 最小添加量不大于1%,且Gn 对燃料本身的密度和热值几乎没有影响;Gn 凝胶碳氢燃料在-40 ℃低温保存、长期室温存储或高速离心后无液体渗出现象;Gn 凝胶碳氢燃料的黏度随剪切速率增加而明显下降,接近纯液体燃料黏度;通过扫描电镜发现Gn 凝胶剂在燃料中可自组装形成三维纤维网状结构,搅拌或高温(150 ℃)可破坏该结构,静置或降温又可恢复,使得Gn 凝胶碳氢燃料具有明显优于SiO2凝胶燃料的流变性和触变性,更利于管道运输和雾化。

胶凝燃料的粘弹性与爆炸分散试验研究

目的 研究胶凝燃料的粘弹性对分散性的影响； 方法 分别测定胶凝燃料的粘弹性和爆炸分散效果，考查不同粘弹性对燃料分散性的影响规律，并建立函数关系； 结果得到了胶凝燃料粘弹性等物化性质对其分散性的影响规律； 结论 胶凝燃料的粘性和弹性对其分散性均有影响，但弹性的影响更明显，所得分散性的函数表达式可用以预测胶凝燃料的分散特性；

凝胶态固液燃料的凝胶热稳定性研究

采用低场核磁共振技术检测了35~80℃时,燃料、不含固相的半成品的横向弛豫时间T 2。利用扫描电镜观察了其微观结构。结果表明,Al粉的加入限制了高分子的运动空间、降低了溶剂烃的迁移速率,使得燃料的T 2值及分散度远小于半成品;随着检测温度的升高,半成品的T 2初始值增加,而燃料的T 2初始值基本不变;随着加热时间的延长,半成品的T 2值先增加后逐渐减少至定值,而燃料的T 2值没有增加;计算加热3 h后T 2值减少速率α,α发生突跃的温度是凝胶液化最低温度(T gel)。燃料、半成品的T gel分别是80℃和70℃。

胶凝燃料的制取和性能

叙述了液体燃料如醇类、汽油及其混合物的胶凝化方法和性能。

硼笼化合物对含铝液固高能燃料点火及燃烧性能的影响

为了探究硼笼化合物对液固凝胶型高能燃料的点火及燃烧性能的影响,采用高密度碳氢燃料MCRI-1、辅助分散剂胶凝剂和纳米铝粉为原料,制备了系列含铝液固凝胶型高能燃料(简称含铝高能燃料),并考察了含铝高能燃料的组成对其分散稳定性(即凝胶成型效果)的影响。在此基础上,考察了三种硼笼化合物对含铝高能燃料的密度、热值、点火及燃烧性能的影响。结果表明,提高胶凝剂含量或固液质量比(Al/MCRI-1)均可提高含铝高能燃料的分散稳定性。含铝高能燃料的密度和体积热值随着硼笼化合物的添加略有降低,但其质量热值在添加硼笼T和硼笼A后分别增加了11.6%和12.4%。硼笼化合物可将含铝高能燃料的燃温峰值提高21.1%~52.9%,点火延迟缩短44.5%~65.2%。硼笼化合物明显改善了含铝高能燃料的点火及燃烧性能。整体上,硼笼A添加效果最佳,且热解及燃烧可产生较多的气体,一定程度上增强了含铝高能燃料的膨胀做工能力。

固体酒精的生产

介绍了固体酒精的用途、生产方法和原理，对其生产进行了其详尽的讨论。