高颗粒负荷条件下含硼凝胶的喷雾燃烧特性

《Energy》：Spray combustion characteristics of boron-containing gel in high particle loading conditions

硼含量20%-50%的含硼凝胶燃料燃烧特性研究表明，其呈现初级微爆（凝胶滴）和次级微爆（硼凝聚体）双重现象，火焰边界随硼含量增加先扩展后收缩。BG50燃料理论热值比纯煤油高1.13倍，密度高1.51倍，燃烧产物含不规则及球形硼凝聚体，高硼含量导致更严重凝聚、更大颗粒及更低氧化度。温度检测显示含硼凝胶整体温度更高，但BG50较BG40略降。优化流变学、改进硼颗粒及促进微爆可提升能量释放效率。

　　

龚明泉|黄丽娅|张嘉瑞|童天翔|杨赫|宫翔

国防科技大学航空航天科学与工程学院，长沙，410073，中国

摘要

含硼凝胶在能量性能、安全性和可控性方面展现出显著潜力。然而，高硼含量对凝胶燃料燃烧特性的影响仍不明确。本研究采用平焰燃烧器和综合诊断方法，系统研究了硼含量（20%–50%）对含硼凝胶燃料喷雾燃烧特性的影响。研究发现存在两种微爆炸现象：凝胶滴的初级微爆炸和硼聚集体的次级微爆炸。火焰特征参数表明，随着硼含量的增加，火焰边界先扩大后收缩。BG50的理论热值比纯煤油高1.13倍，密度高1.51倍。对冷凝燃烧产物的分析显示，在高硼负载下，存在不规则和球形的硼聚集体，聚集体尺寸更大，表面更密集，氧化程度更低。温度测量证实，所有含硼凝胶的温度都高于纯煤油，尽管BG50的温度相对较低。我们预期，通过优化其流变性能、改进硼颗粒并促进微爆炸，可以实现高硼负载凝胶燃料的能量完全释放。

引言

近年来，由于凝胶材料具有剪切变稀行为、刺激响应性和自修复能力等多功能特性，其在航空航天、柔性电子和生物医学领域得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。随着航空航天推进系统对高性能和安全燃料需求的增长，凝胶燃料成为极具前景的应用候选者。这得益于其高能量密度、可调流量和安全性等优点[4,5]。此外，由于其凝胶网络结构和半固态特性，将特定质量分数的高能固体颗粒掺入凝胶燃料中可以实现稳定的长期悬浮，从而提高其能量性能，如热值和密度[6]。硼因其高体积热值（136.44 MJ/L）和无毒性质，被认为是理想的凝胶燃料添加剂，因此被称为含硼凝胶[7]。在实际推进应用中，硼含量必须非常高（远超过10%）才能显著提升性能。

目前关于凝胶燃料燃烧的研究主要集中在单滴蒸发和燃烧过程[[8], [9], [10]]。通过精确控制环境温度、压力和氧浓度，研究人员系统研究了不同燃料-凝胶剂-添加剂组合的点火和燃烧行为，获得了包括点火延迟时间和燃烧速率等关键参数。通常，无机凝胶在燃烧过程中会形成多孔且刚性的壳层[11]。液体燃料蒸发后，产生的蒸汽通过孔隙扩散，从而实现更稳定的燃烧且无微爆炸。相反，有机凝胶在弹性凝胶层内通过气泡成核产生周期性微爆炸[12]。值得注意的是，金属颗粒的加入显著影响了凝胶燃料的燃烧特性。例如，Glushkov[13]报告称，含有不同高能颗粒（Al、Fe、Cu或C）的凝胶点火延迟为1–10秒。Solomon[14]观察到，含硼凝胶滴的燃烧过程与纯凝胶相似，但由于硼-凝胶剂相互作用形成了更致密的凝胶层，导致燃烧时间延长并形成多孔、部分反应的硼聚集体。此外，添加剂浓度也起着关键作用。Natan[15]表明，增加凝胶剂含量会提高凝胶的气化热，但降低其燃烧速率。Madhumitha[16]报告称，随着硼颗粒含量（10%-30%）的增加，含硼凝胶的燃烧速率常数显著上升，滴状微爆炸成为主导现象。凝胶燃料滴燃烧的研究结果为理解其复杂的喷雾燃烧过程提供了宝贵的初步信息。尽管单滴燃烧提供了有价值的见解，但对高硼含量凝胶喷雾燃烧的全面理解仍然有限。

实际上，凝胶燃料的燃烧过程涉及由众多离散微结构（包括液膜、连接物和滴状物）组成的雾化燃料分散体的燃烧。具体而言，含颗粒的凝胶燃料是多组分和多相的，包括液体燃料、固体高能颗粒和凝胶剂的蒸发和燃烧。这些元素在喷雾燃烧过程中相互作用，使得理解其机制更加复杂。这也帮助我们了解燃料的初次点火和燃烧效率。然而，除了2020年Yang等人的最新研究[17]外，尚未有其他关于含硼凝胶喷雾燃烧的研究。他们发现凝胶燃料中的硼和铝颗粒能够成功点燃，从而提高了比密度冲量。然而，他们的工作侧重于燃料配方和点火可行性，而没有系统地描述高硼负载条件（≥20%）下的喷雾燃烧行为。研究超过20%的颗粒负载至关重要，因为增加高能颗粒的浓度有利于提高基于凝胶的推进系统的性能。Xiao[18]的发现强调了这一需求，他在冲压发动机实验中观察到含40%硼的凝胶燃烧效率比含30%的凝胶低约10%。这些结果凸显了对高颗粒负载条件（≥20%）下凝胶燃料燃烧特性进行系统和全面分析的迫切需要，这对于充分发挥含硼凝胶的能量潜力至关重要。

本研究的主要目的是使用平焰燃烧器研究高硼含量对含硼凝胶燃料点火和燃烧行为的影响。通过结合热重分析（TG分析）、光谱学、火焰成像和扫描电子显微镜/能谱（SEM/XPS）表征等综合方法，研究了硼颗粒在凝胶燃料中的掺入效果。这些评估旨在全面了解含硼凝胶燃料的喷雾燃烧特性，并加深对湍流中异质滴燃烧的基本理解，从而为实现高效燃烧提供可行的途径。

部分内容

含硼凝胶的制备

含硼凝胶的硼含量为20%-50%（BG20-BG50），按照我们之前研究中的方法[19]合成。简要来说，将煤油和凝胶剂按精确比例混合后，在70°C下连续搅拌直至凝胶剂完全溶解，形成均匀的煤油溶胶。随后，将直径为2.55 μm的硼颗粒（见图S1b）以及油胺加入煤油溶胶中，以确保均匀分布

热氧化特性

通过热重分析（TG-DTG）研究了煤油（KG）和BG20-50的热氧化特性。如图6a–c所示，纯煤油在200°C以下几乎完全氧化，质量损失为98.3%。KG经历了两阶段分解：首先是煤油蒸发（质量损失93.23%），其次是凝胶剂氧化（质量损失6.07%）。与KG不同，BG20-50在氧化过程中还出现了质量增加阶段，这对应于硼颗粒的氧化（从32.62%开始）

结论

采用平焰燃烧器和多种诊断技术（包括热重分析、火焰成像、光谱学和扫描电子显微镜/能谱表征）系统研究了不同硼含量的含硼凝胶燃料的喷雾燃烧特性。彩色火焰成像显示，在稳定燃烧过程中存在两个明显区域：橙红色区域和绿白色区域。局部放大图像进一步表明，含硼凝胶不仅表现出初级

CRediT作者贡献声明

龚明泉：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论设计、实验研究、概念构思。黄丽娅：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。张嘉瑞：监督、资金筹集。童天翔：实验研究。杨赫：方法论设计。宫翔：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省科技创新计划（项目编号：2022RC3045）、国防科技大学创新研究基金（24-ZZCX-JDZ-36）和国家自然科学基金（项目编号：12302394）的支持。