课题基金 / 基金详情

基于kHz激光精细成像技术的硼/乙醇纳米流体燃料喷雾燃烧特性研究

批准号:
52076136
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
高怡
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
高怡

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
为了提高液体火箭发动机的比冲和推重比,需要高能焓的推进剂。采用化学合成新燃料分子结构的方法已很难大幅提升液体燃料的能量密度,向传统碳氢燃料中添加纳米颗粒形成纳米流体燃料,可提高燃料整体的体积热值、降低点火温度、缩短着火延迟时间并提高燃烧效率。但纳米流体燃料燃烧过程中所涉及到的颗粒从喷雾液滴中的逃逸机制、非均相燃烧机理、颗粒对瞬态燃烧过程的影响等科学问题仍不明确,限制了纳米流体燃料的实际应用。因此,本项目采用基于超高重频脉冲群式激光诊断技术,拟对硼/乙醇纳米流体燃料的喷雾及燃烧过程中所涉及的多相、多尺度、多组分的物理机制进行系统研究,探索纳米颗粒在超高分辨时空尺度中与液相的相互作用机制、对流动与化学反应带来的影响,进而加深对纳米流体燃料喷雾燃烧过程中宏观现象与微观机制的认识,达到通过设计适当纳米材料的物性参数,以可控的方式充分利用存储在高能颗粒中的化学能,实现纳米流体燃料的广泛应用。
英文摘要
Over the last decade, researchers were devoted to improve the combustion and emission performance of conventional fuels. A novel concept of nanofuel was proposed, suspensions of energetic nanomaterials in a liquid medium, as a potential energy carrier. Nanoparticles burn much more easily because of their large surface area to volume ratio and short oxidizer diffusion length. Using optimized blend of nanoparticles and hydrocarbon fuel can help to decrease the world’s demand on fossil fuels dramatically without modification of the state-of-art engines and significantly reduce emission of particulate matters, carbon monoxide, sulphur oxides, and unburned hydrocarbons. .However, nanofuels have been rarely studied, and our knowledge about them remains very limited. Some challenges have to be tackled before its fully industrial employment. The fuel itself contains liquid and solid particles, and its colloidal stability depends largely on the interfacial properties between the particle and the surrounding fluid molecules. Thus, the combustion of nanofuels is a highly complex phenomenon, which is a multiphase, multicomponent, and multiscale process, and these processes can interact with one another to make our fundamental understating even more difficult. Another key challange is to completely utilize the chemical energy stored in energetic particles in a controllable manner, where the energy release rate is dependent on practical applications. .Motivated by above, the spray and burning characteristics of nanofuels with the addition of boron nanoparticles in ethanol will be investigated in this project based on ultra-fast laser diagnostic. The effect of particle diameter and particle-loading rate on atomization and droplet-burning characteristics will be examined with ultra-high spatial and temporal resolution. The influence of jet and swirling flow on the spray and combustion process of nanofuel will be compared and investigatged in detail. The fundamental mechanisms responsible for particles escaping from the primary droplet will be discussed as well.
在航空航天领域,推进系统的性能至关重要。掺硼纳米流体燃料能够显著提高传统液体化石燃料的能量密度和燃烧效率,从而提升火箭、导弹等飞行器的推力和航程,增强其在复杂环境下的作战能力和机动性,为国防和航空航天事业的发展提供有力支持。由于纳米流体燃料喷雾燃烧是一个多相、多组分和多尺度的复杂过程,纳米颗粒从喷雾液滴中的逃逸机制、非均相燃烧机理、颗粒对瞬态燃烧过程的影响等科学问题的研究十分欠缺,对纳米量级能量转换和传输机制的理解仍不充分,导致硼颗粒燃烧快速释热和稳定燃烧的机理尚不清晰。因此,本项目针对硼/乙醇纳米流体燃料,搭建了超高时空分辨的多物理场、多组分激光同步成像系统,在同轴射流以及旋流流场结构中开展了空气流速、硼颗粒掺混浓度以及粒径对喷雾、燃烧及排放特性影响的实验研究,建立了硼/乙醇纳米流体燃料喷雾、燃烧和排放特性实验数据库,对数据进行了详细的图像处理与结果分析,对比了掺硼的纳米流体和纯乙醇喷雾及燃烧特性的差异,探索了液滴与流场的相互作用机制、硼颗粒的“微爆”机理以及对后续化学反应带来的影响,归纳颗粒对稳定燃烧、熄火极限等参数的作用规律,加深了对纳米流体燃料喷雾燃烧过程中宏观现象与微观机制的认识,并为纳米流体燃料的数值仿真方法提供实验验证。.在本项目的资助下,在燃烧和光学相关领域主流期刊发表文章10篇,另有4篇论文待发表,发表会议论文14篇。专利授权方面,授权发明专利2项,另有新登记发明专利1项。学生培养方面,参与本项目的在读硕士研究生4名、博士研究生4名,毕业3名硕士毕业生,另有8名本科生依托本项目研制的实验设备完成毕业设计。国际国内交流方面,项目负责人参与国际国内会议10次,多次在国际会议上做邀请报告,在第38届国际燃烧会议和2021全球动力与推进大会担任分会场主席。在读研究生参加国际国内学术会议16人次,做口头报告14次、墙报2次。
复杂旋流喷雾火焰的碳烟颗粒物生成机理研究
  • 批准号:
    U2141221
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    260万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    高怡
  • 依托单位:
基于超高重复频率激光的湍流射流火焰中碳烟、温度和流场速度的二维同步测量
  • 批准号:
    51706142
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    高怡
  • 依托单位:
国内基金
海外基金