来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2023/5/18 13:08:15
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FCSE  前沿综述:用于先进推进的凝胶燃料的设计、制备及性能表征

论文标题:Review on design, preparation and performance characterization of gelled fuels for advanced propulsion(用于先进推进的凝胶燃料的设计、制备及性能表征)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Kang Xue, Jinwen Cao, Lun Pan, Xiangwen Zhang, Ji-Jun Zou

发表时间:15 Jun 2022

DOI:10.1007/s11705-021-2122-2

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阅读原文请点击“Review on design, preparation and performance characterization of gelled fuels for advanced propulsion”

背景及意义

随着航天推进系统的发展,对燃料性能和安全性的要求越发严格。传统的固体和液体燃料难以同时满足发动机控制简单、高载荷比、推力可控、储存安全等发展要求。凝胶燃料通常是指在液体燃料中添加凝胶剂形成的稳定凝胶。由于其独特的结构,凝胶燃料与固体燃料一样具有防泄漏、易于储存和运输的优点,同时可以实现与液体燃料类似的推力可控调节和发动机多次启动。因此,本文综述了凝胶燃料的设计、制备和性能表征。重点介绍了凝胶化的高能量密度碳氢燃料的组成、制备工艺以及凝胶化机理。并在此基础上,从剪切变稀、动态黏弹性和触变性三个方面对凝胶燃料的流变和流动特性进行了介绍。此外,还综述了凝胶燃料雾化特性的研究进展,重点说明了雾化喷嘴的作用。最后介绍了凝胶燃料单液滴燃烧和燃烧室燃烧的实验和理论模型。

内容及主要结论

凝胶剂在凝胶燃料或氧化剂的制备中起着至关重要的作用,液体的凝胶化主要是通过凝胶剂的相互作用来实现。在凝胶化过程中,凝胶剂首先通过弱的非共价相互作用进行自组装,形成纤维状、棒状或球形聚集体。随后,这些聚集体被进一步组装成立体网络结构,以捕获液滴并阻止其流动。此外,凝胶通常是由分子间的多重相互作用形成的,驱动力包括氢键、π-π叠加、范德华力、配位、亲水/疏水效应、静电效应等弱相互作用。与传统的以气相二氧化硅为代表的无机凝胶剂和以纤维素及其衍生物为代表的有机大分子凝胶剂相比,有机小分子凝胶剂(LMMGs)具有添加量低、流变性好、燃烧残余少等优点。

此外,通过在凝胶中添加B、Mg或Al等高能金属颗粒,可以有效提高燃料的能量密度,并使颗粒保持稳定悬浮状态,有助于提高比冲和热导率,并且高能金属颗粒的点火促进作用能缩短点火延迟时间。

凝胶是一种具有剪切变稀特性的非牛顿流体,即凝胶粘度随剪切速率的增大而减小。剪切稀化特性是凝胶转化为液体的关键。

因此,凝胶的流变学和流动行为与液体有很大的不同,这使得凝胶燃料不适合用于传统的固体/液体火箭发动机和吸气发动机。凝胶燃料的非牛顿流体特性给燃料供应系统、燃烧室喷嘴、发动机冷却结构等关键部件的设计带来了困难。在这种情况下,传统的基于牛顿流体型液体的设计方法已不适用。随着凝胶燃料黏度的增加,雾化难度增大,由于胶化剂和金属颗粒的存在,无法得到均匀分布的液滴,进而影响燃烧。

目前,凝胶燃料主要以煤油基碳氢燃料和肼及其衍生物为基料燃料。然而,随着对燃料性能需求的提高和对环境问题的日益关注,须考虑高性能、环保型液体燃料的凝胶化,如高能量密度碳氢燃料、液氢、离子液体燃料等。此外,大量凝胶剂的引入将会降低燃料的能量密度,在这种情况下,应该着重研究高能凝胶剂的合成,例如,在有机凝胶剂中引入高张力化学键或使用表面功能化的高能金属颗粒作为凝胶剂。

凝胶的流变性能是雾化、燃烧的前提和基础,主要由凝胶剂和液体燃料的物理化学性质决定。然而,凝胶组成的分子结构与流变性能参数的构效关系需要进行系统性的研究。

目前,雾化实验中对雾化效果大多采用定性分析,难以进行定量分析。因此,需要建立新的实验和表征方法。此外,针对凝胶燃料的高黏体系研制新型雾化器具有重要意义。本文设计的双股射流碰撞雾化器的示意图及实验图像,如图1所示。

图1 双股射流碰撞雾化器的示意图及实验图像

凝胶燃料的燃烧实验主要集中在单液滴燃烧和燃烧室燃烧两方面。对于单液滴燃烧,在实验过程的基础上,已提出了几种液滴燃烧模型(如图2所示),但建立一个更加通用的燃烧机理模型仍十分困难。此外,凝胶燃料的燃烧室燃烧实验数据有限,通过进行中试或发动机试验,为凝胶燃料的实际应用提供数据支持具有重要意义(图3)。

图2 凝胶燃料单液滴燃烧过程模型示意图

图3 冲压发动机示意图及凝胶燃料燃烧过程中压力随时间的变化

亮点

本文主要综述了凝胶燃料(尤其是凝胶化的高能量密度碳氢燃料)的设计和制备的研究进展。介绍了凝胶燃料的流变与流动行为、雾化与喷雾特性以及燃烧性能,并对凝胶燃料面临的问题及未来发展的趋势提出了见解。

相关成果以“Review on design, preparation and performance characterization of gelled fuels for advanced propulsion”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: 10.1007/s11705-021-2122-2)。

作者及团队介绍

薛康(第一作者),天津大学2019级博士研究生,研究方向为高能航天燃料的制备及应用。

邹吉军(通讯作者),天津大学化工学院讲席教授,国家级人才。主要从事能源化工研究,获得国家自然科学二等奖、侯德榜化工科技创新奖、石化联合会青年科技突出贡献奖、全国优秀博士学位论文等奖励。在Nat Energy、Nat Common、J Am Chem Soc、Angew Chem、AIChE J等期刊发表论文200余篇,获得国际及中国授权发明专利40余项。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中12种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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