多孔活性自燃金属的光谱辐射特性研究

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黄鹤松, 童中翔, 柴世杰, 马榜, 王超哲. 多孔活性自燃金属的光谱辐射特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(1): 166-170.
HUANG He-song, TONG Zhong-xiang, CHAI Shi-jie, MA Bang, WANG Chao-zhe. Research on Pyrophoric Multi-Hole Activated Metal Spectral Radiation Characteristics[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(1): 166-170.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)01-0166-05 复制到剪切板

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多孔活性自燃金属的光谱辐射特性研究

黄鹤松¹, 童中翔¹, 柴世杰^1,^*, 马榜², 王超哲¹

1. 空军工程大学航空航天工程学院, 陕西西安 710038

2. 航天科工集团8511研究所, 江苏南京 210007

*通讯联系人 e-mail: chaishijie@sohu.com

作者简介: 黄鹤松, 1989年生, 空军工程大学航空航天工程学院博士研究生 e-mail: huanghesonghhs@126.com

收稿日期: 2017-01-15

基金: 国家自然科学基金项目(61471390)资助

摘要

多孔活性金属材料因为内部存在大量的孔隙, 大大地增加了与空气的接触面积, 使得其在空气中的燃烧较为猛烈, 燃烧温度迅速上升。其燃烧过程属于固体燃烧的范畴, 较为复杂。以镁为例, 通过建立燃烧模型, 来研究多孔活性金属的光谱辐射特性。首先, 建立氧气总消耗量与活性金属剩余质量的关系, 研究氧气在活性金属孔隙内的扩散浓度关系, 通过求解活性金属热平衡方程得到活性金属燃烧过程中温度与时间的关系式, 进而得到活性金属的峰值光谱辐射强度表达式; 然后, 将模型计算的仿真结果与红外热像仪测得的实验结果对比, 结果表明, 模型的计算结果与实验结果相一致, 误差在了10%以内; 最后, 通过建立的燃烧模型来研究活性金属燃烧规律以及其光谱辐射特性, 解决了高空、高速下的活性金属光谱辐射强度难以实验获得的问题, 大大减小了实验成本与时间。分别对比不同时间活性金属箔片在1~3, 3~5以及8~12 μm波段下的辐射强度, 得出活性金属燃烧时的辐射强度主要集中在3~5 μm波段的结论。研究结果表明: 自燃金属最大燃烧温度随高度的增加逐渐下降, 随气流速度的增加先增加后减小, 在速度为30 m·s^-1时, 温度达到最大; 自燃金属的光谱辐射强度在2~6 μm波段达到最大。该模型也可以用来研究其他活性金属的燃烧特性。

关键词: 多孔; 活性金属; 燃烧; 热平衡; 光谱辐射特性

中图分类号:O657.3 文献标志码:A

Research on Pyrophoric Multi-Hole Activated Metal Spectral Radiation Characteristics

HUANG He-song¹, TONG Zhong-xiang¹, CHAI Shi-jie^1,^*, MA Bang², WANG Chao-zhe¹

1. Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;

2. 8511 Institution, China Aerospace Science and Industrial Corporation, Nanjing 210007, China

*Corresponding author

Abstract

The contact area between multi-hole activated metal and air greatly increases, because of the large number of holes in multi-hole activated metal. So the combustion of multi-hole activated metal is serious in the air, which causes the temperature rising rapidly. The combustion process is quite complex and belongs to solid combustion. To solve the combustion problem of multi-hole activated metal, magnesium was chosen as the activated metal in the paper. The combustion models were established to research the spectral radiation characteristics. Firstly, we established the relationship between total consumption of oxygen and residual mass of activated metal and studied the diffusion concentration of oxygen in activated metal hole. The relationship between temperature and time were obtained by solving the heat balance equations of active metal in the process of combustion. Secondly, the simulation results by calculation were compared with the experiment results which were obtained by thermal imager. The results demonstrated that the model calculated results consistent with experiment and the error was controlled within 10%. Finally, the burning rule and spectral radiation characteristics of activated metal were studied by the establishment of combustion models. So the problem that the spectral radiation intensity is difficult to be obtained by experiment at high altitude and velocity was solved, which decreased the experiment cost and time. The activated metal radiation intensity in the waveband of 1~3, 3~5 and 8~12 μm were compared at different time and get the condusion that the nain radiation intensity focuses on the waveband of 3~5 μm. The results demonstrated that: the maximal burning temperature increased firstly and then decreased with the increase of the velocity . It also decreased with the increase of the altitude; The temperature reached maximum at the speed of 30 m·s^-1; Activated metal spectral radiation intensity reached maximum at the waveband between 2 to 6 μm. The models can be applied in studying other activated metal burning characteristics.

Keyword: Multi-hole; Activated metal; Combustion; Heat balance; Spectral radiation characteristics

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引言

多孔活性金属材料内部存在大量的孔隙, 大大的增加了其表面积。当活性金属与空气接触时, 空气中的氧通过金属材料表面的孔隙进入活性金属内部与之反应, 大大增加了与氧气的接触面积, 加剧了自燃反应的进行。使得活性金属在自燃过程中具有很强的光谱辐射强度。由于活性金属的多孔特性, 使得氧气主要通过扩散方式传递到其金属材料内部, 从而与之反应。因此活性金属的燃烧速率主要与氧气的扩散速率有关, 而氧气扩散速率又与金属材料的孔直径、孔隙度、表面积以及氧气进入活性金属的速率有关。所以活性金属的自燃反应不仅与金属材料自身有关还依赖于周围环境的温度、氧气浓度以及空气运动速度。

多孔金属的燃烧属于固体燃烧的范畴, 由于其燃烧过程复杂, 国内外的学者对其进行的研究较多。 Song Wang等^[1]研究了铝和钛在层流和紊流中的燃烧; 高明等^[2]研究了铝/镁合金的稳态燃烧特性; Liao等^[3]研究了高岭土等添加剂对钾辐射特性的影响; Ernst-Christian Koch等^[4]对镱的燃烧特性进行了研究; 陈春生等^[5]研究了一种新型诱饵剂的红外/紫外辐射特性。

本工作以活性自燃金属镁为对象, 研究其燃烧时的光谱辐射特性, 建立自燃金属的燃烧模型, 通过实验验证模型的准确性, 实现了对活性自燃金属燃烧过程的仿真计算。

1 模型建立

假设惰性基材是直径为D_f的圆形箔片, 在惰性基材的表面均匀的覆盖着厚度为L, 以镁为主的自燃活性金属材料。活性金属表面的活性材料内存在较多的小孔, 大大增加了活性材料与氧气的接触面积, 也就加快了反应产生的热量。设活性金属内部小孔的数量为n, 如图1所示。

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	图1 活性金属箔片示意图Fig.1 Sketch map of activated material foil

经实验分析可知, 活性金属的自燃速率主要与环境温度T_a、氧气浓度c、活性金属速度V_f以及孔隙度ω 有关。首先计算活性金属的孔隙度。

$ω = \frac{n D_{h}^{2}}{D_{f}^{2}}$ (1)

式中D_h为小孔直径。

活性金属镁的自燃反应中最基本的反应是与氧的反应

2Mg+O₂→ 2MgO+热量

经实验测得每消耗1 mol氧气分子, 反应(2)所释放的热量大约为1 202.9 kJ。设t时刻活性金属表面活性材料厚度为

$L (t) = L - \frac{Lk W_{O_{2}} (t) M_{Mg}}{m}$ (3)

式(3)中, $W_{O_{2}}$ (t)为t时刻氧气的总消耗量, m为活性金属镁的质量, M_Mg为镁的摩尔质量, k为活性金属与氧气的消耗比。

空气中的氧气通过多孔结构进入活性金属表面, 从而与之反应。该扩散包含体积扩散和体积质量交换。由于活性金属表面的小孔直径较小, 与扩散分子的平均自由行程的长度在相同的数量级上。因此氧气分子在扩散过程中与孔隙壁不断地碰撞, 使得体积扩散系数很小, 所以氧气通过小孔扩散进入活性金属表面阻力很大, 氧气浓度随着扩散的深入逐渐降低, 这进一步限定了活性金属内部的反应速度。

设氧气单位面积上的质量流量为^[6]

$J_{O_{2}} = - D \frac{d c}{d z}$ (4)

式(4)中, D为氧气的扩散系数, 其值为

$D = \frac{1}{6} D_{h} {(\frac{RT}{π})}^{\frac{1}{2}}$ (5)

活性金属内部的活性金属通过与氧气反应不断消耗自身重量, 从而产生热量, 因此其内部存在能量与质量的平衡关系。这种平衡关系依赖于氧气的浓度和活性金属的温度, 对于该模型首先应该考虑氧气的平衡关系^[7], 即

$ω \frac{d c}{dt} = D \frac{\partial^{2} c}{\partial z^{2}} - \frac{4 n D_{h}}{D_{f}^{2}} k_{s} c (z)$ (6)

式(6)中, c(z)为活性金属氧气浓度, 其中z=L(t)为活性材料表面, z=0为惰性基材表面, k_s为反应速率常数。

设活性金属内部的氧气迅速达到一个定值, 则

$\frac{d c}{d t} = 0$ (7)

因此可以得到

$\frac{d^{2} c}{d z^{2}} = \frac{4 n D_{h} k_{s} c (z)}{D_{f}^{2} D}$ (8)

在惰性基材处z=0, 氧气浓度最低, 反应最慢。由于此处没有氧气注入所以 ${\frac{d c}{d z}|}_{z = 0}$ =0。在z=L(t)处是活性金属表面, 此处氧气浓度最大, 反应最快。氧气通过体积扩散和体积质量交换进入活性金属表面的质量流量相同。则可以得到

$D {\frac{d c}{d z}|}_{z = L} = k_{m} (c_{O_{2}} ~ c (z))$ (9)

式(9)中k_m为质量交换系数, 其值为

$\{\begin{array}{l} k_{x} = 0.182 (\frac{p_{0}}{p}) {(\frac{T}{T_{0}})}^{1.81} \\ k_{m} = 0.664 \sqrt[]{\frac{V_{f}}{D_{f}}} \sqrt[6]{\frac{ρ k_{x}^{4}}{μ}} \end{array}$ (10)

式(10)中, ρ 为大气密度, μ 为空气动力黏性系数, p₀和T₀为大气标准压力和温度。对式(8)积分, 同时将z=L(t)和z=0处的活性金属氧气浓度梯度关系代入可以得到式(11)

$c (z) = \frac{c_{O_{2}} ch (θz)}{ch (L (t) θ) + \frac{Dθ}{k_{m}} sh (L (t) θ)}$ (11)

式(11)中θ 为

$θ = \frac{2 \sqrt[]{6 n k_{s}}}{D_{f}} {(\frac{RT}{π})}^{- \frac{1}{4}}$ (12)

忽略活性金属内部的热传导, 则活性金属中的镁在燃烧过程中其内部的能量变化等于镁与氧气反应产生的热量减去通过与环境空气的热对流以及热辐射消耗掉的热量的总和^[8]。首先计算活性金属镁与氧气反应产生的热量Q。

对式(8)积分则可以得到

$D \frac{d c}{d z} = \overset{L (t)}{\int_{0}} \frac{4 n D_{h} k_{s} c (z)}{D_{f}^{2}} d z$ (13)

则反应产生的热量Q为

$Q = Δ H J_{O_{2}} S (14)$

式(14)中, S为孔隙面积, 其值为

$S = nL (t) π D_{h} (15)$

则活性金属的热平衡方程如式(16)所示^[9]

$\begin{array}{l} \frac{c_{p} mL (t)}{L} \frac{\partial T}{\partial t} = nL (t) π D_{h} \int_{0}^{L} \frac{4 Δ H D_{h} k_{s} nc (z)}{D_{f}^{2}} d z - \\ A h_{x} (T - T_{a}) - Aσε (T^{4} - T_{a}^{4}) (16) \end{array}$

式(16)中A为活性金属面积, h_x为对流换热系数, 其值为^[10]

$h_{x} = 0.332 \sqrt[]{\frac{ρ V_{f}}{D_{f}}} \sqrt[6]{\frac{c_{p}^{2} λ_{a}^{4}}{μ}}$ (17)

氧气的消耗量可以表示为

$\frac{\partial W_{O_{2}}}{\partial t} = 4 nL (t) π D_{h} \int_{0}^{L} \frac{D_{h} k_{s} nc (z)}{D_{f}^{2}} d z$ (18)

对式(16)积分得

$\begin{array}{l} Δ T = \frac{L}{c_{p} mL (t)} [π n Δ HD D_{h} L (t) θ \tanh (θL (t)) c (L (t)) - \\ A h_{x} (T - T_{a}) - Aσε (T^{4} - T_{a}^{4})] Δ t (19) \end{array}$

式(19)中, ε 为发射率, σ 为斯蒂芬-玻耳兹曼常数, 其值为5.67× 10^-8 W· (m²· K⁴)^{-1 [11]}。

从而可以得到活性金属温度随时间的变化关系, 为了保证计算精度Δ t的取值应小于0.001 s。设活性金属燃烧过程中峰值温度为T_max, 则活性金属峰值光谱辐射强度为^[12]

$I_{λ} = \frac{εA c_{1}}{π λ^{5} (e^{c_{2} / (λ T_{\max})} - 1)}$ (20)

2 实验部分

2.1 测试方法

实验采用SC7700MW红外热像仪对活性金属的燃烧温度进行测试。 SC7700MW工作波段为3~5 μ m, 视场为11° × 8.8° 。活性金属箔片正对红外热像仪, 与热像仪的距离为10 m。活性金属右侧放置一个风速可调的风扇, 使得气流速度可以在0~100 m· s^-1之间调节。活性金属置于风扇的气流之中。

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	图2 箔片温度测试实验示意图Fig.2 Sketch map of foil temperature test

2.2 测试箔片参数

实验中活性金属箔片的各参数如表1所示。

表1 活性金属参数 Table 1 Activated metal characteristics

3 结果与讨论

3.1 模型验证

图3为红外热像仪测得的活性金属不同速度下的红外热像图。从图中可以看出, 随着气流速度的增加, 活性金属与氧气反应的越来越剧烈。

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	图3 不同速度下的活性金属红外热像图Fig.3 Activated metal Infrared thermal diagram at different velocity

图4为气流速度为1.5 m· s^-1时, 实验测得的不同时刻活性金属表面平均温度与仿真结果的对比图。从图中可以看出活性金属在起燃后剧烈燃烧, 温度迅速上升。 1 s内燃烧温度达到最大值, 而后温度缓慢下降, 4 s时基本燃烧完全, 温度降为略高于环境温度。从实验结果与仿真的对比可以看出, 模型的建立较为准确, 与实验结果相一致, 误差控制在了10%以内。

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	图4 速度为1.5m· s^-1时, 实验与仿真计算对比图Fig.4 The comparison of results at the velocity of 1.5 m· s^-1

仿真中认为活性金属中的小孔为圆柱形小孔, 且孔与活性金属表面垂直, 有利于氧在孔内扩散。而实际金属中的小孔不一定垂直于金属表面, 孔内还可能存在弯曲, 使得氧气的扩散受阻, 减慢了金属的自燃反应。因此仿真的活性金属燃烧速率稍快于实验结果, 从而产生一定误差。

3.2 活性金属光谱辐射特性研究

应用建立的活性金属燃烧模型对其光谱辐射特性展开研究, 首先研究其最大燃烧温度与速度和高度的关系。

从图5中可以看出, 活性金属的最大燃烧温度随着气流速度的增加先增加后减小, 当速度为30 m· s^-1时, 温度达到最大。随着气流速度的增加, 氧气扩散速度加快, 使得金属的自燃反应更加剧烈, 所以最大温度上升。但是随着气流速度的增加, 活性金属表面与空气的对流散热作用增加。当气流速度增加到一定程度时, 对流散热作用散失的热量大于因气流速度增加而增加的热量, 使得活性金属的最大燃烧温度随着气流速度的增加而降低。

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	图5 不同高度下箔片最大温度随速度的变化关系Fig.5 The relationship between T_max and velocity at different attitudes

当高度增加时, 氧气浓度降低, 这又减缓了活性金属的反应速率, 同时环境温度也随着高度的上升而下降, 这又进一步增加了热量的耗散, 所以活性金属的燃烧温度随着高度的上升而下降。

图6为速度为1.5 m· s^-1时活性金属在不同波段的红外辐射特性, 从中可以看出活性金属在3~5 μ m波段的辐射强度最强, 8~12 μ m波段的辐射强度最弱, 3~5 μ m波段的最大辐射强度大于8~12 μ m波段的3倍。活性金属的辐射强度主要集中在0.3~1.5 s, 在0.8 s辐射强度达到最大。

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	图6 箔片不同波段下的辐射强度仿真结果Fig.6 The simulation results of radiation intensity of foil at different wave bands

从式(20)中我们可以得到活性金属箔片温度最大时的光谱辐射特性, 如图7所示。从图中可以得到, 活性金属的主要辐射强度集中在2~6 μ m波段。

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	图7 箔片最大温度时光谱辐射强度Fig.7 The spectral radiation intensity of foil at T_max

4 结论

建立了活性金属的燃烧模型, 通过求解活性金属热平衡方程得到其温度随时间的变化关系, 进而得到自燃过程中活性金属的光谱辐射强度; 然后通过热像仪对自燃金属燃烧过程的温度变化进行实验测试, 通过实验结果与模型计算的结果进行对比, 仿真误差控制在了10%以内, 与实验结果吻合的较好; 最后应用活性金属自燃模型对高空高速下金属材料的燃烧规律进行仿真计算, 解决了高空、高速下活性金属辐射强度难以实验的问题。大大的减少了实验成本与时间, 同时该模型也可以用于其他自燃活性金属的计算。

分析研究得出以下结论:

(1)自燃金属最大燃烧温度随气流速度先增加后减小, 在速度为30 m· s^-1时, 温度达到最大。

(2)自燃金属随着高度的增加最大燃烧温度逐渐下降。

(3)自燃金属的光谱辐射强度在2~6 μ m波段达到最大。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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