Применение гиперспектральных камер для исследования распыливания и горения наножидкостных топлив на основе бора

I. Предпосылки исследования и требованияк проведению испытаний

В области исследований аэрокосмических силовых установок высокоэнергетическиенаножидкостные топлива на основе бора, представляющие собойновый тип топлива с высокой плотностью энергии, привлекаютзначительное внимание благодаря своим характеристикам распыления и горения. В ходе изучения процессов воспламенения и горения наножидкостноготоплива B/JP-10 исследовательской группе потребовалось определитьпространственные характеристики спектров излучения пламени, возникающегопри распылении и сгорании топлива.

Традиционные методы спектральных измерений затрудняют получениеспектральной информации для различных участков пламени, тогдакак гиперспектральные камеры позволяют одновременно регистрировать как пространственные, так и спектральные данные об объекте, чтоотвечает задачам анализа пространственного распределения компонентов пламени. Для проведения систематических измерений пространственных спектровизлучения пламени при распылении топлива исследовательская группа выбрала гиперспектральнуюкамеру FS-22 производства компанииCHNSpec Technology Co., Ltd.

II. Методы испытаний и выбор спектральныхдиапазонов

В ходе исследования использовалась гиперспектральная камера визуализации FS-22 в сочетании с экспериментальной установкой для исследованиягорения распыленного наножидкостного топлива. Данная установкавключает в себя систему подачи образца, распылительную форсунку, измерительную систему и систему отбора проб. Для распыления наножидкостного топлива на основе бора применяетсяпневматическая форсунка, а для воспламенения распыленнойструи используется плазменная дуга.

Гиперспектральная камера применялась для сбора пространственно-спектральных данных излучения пламени, возникающегопри сгорании распыленного топлива. На основе характерныхспектров бора и продуктов сгорания углеводородного топлива исследовательская группавыбрала для анализа два конкретных диапазона излучения:

1. 431 нм (синийдиапазон): соответствует излучению радикалов CH; используется для характеристики реакции горения углеводородноготоплива JP-10.

2. 581 нм (зеленый диапазон): соответствуетизлучению радикалов BO₂; используетсядляхарактеристикиреакциигорениячастицбора.

Рисунок 7.11. Интенсивность излучениянаножидкостного топлива (10 мас. % B /JP-10) на длинах волн 431 нм и581 нм

Анализируя пространственное распределение интенсивности излученияв этих двух характерных спектральных диапазонах, исследователимогут определить преобладающие типы реакций в различных точках распыленного факела.

III. Экспериментальные результаты и иханализ

Спектральный анализ в осевой зоне

Данные, полученные с помощью гиперспектральнойкамеры, показывают, что спектральноеизлучение в осевой зоне распыленного факела претерпевает закономерные изменения. Спектральные кривые для точек 1 и 2 демонстрируют характерную для горения бора структуру пиков («пять пальцев»), причем интенсивностьизлучения возрастает по мере удаления от сопла; это свидетельствуето том, что реакция горения бора протекает в центральнойчасти факела на участке от сопла до точки 2 и постепенноусиливается по мере перемещения частиц бора. На участкеот точки 3 до точки 5 характерныедля бора пики в центре факела исчезают, что указывает наотсутствие значимых химических реакций с участием частиц бора в этой зоне.

Спектральный анализ характеристик излучения в различных радиальныхточках

Сравнительный анализ спектров излучения в различных радиальныхточках (за центр отсчета была принята позиция 4, где интенсивность излучения на оси факела максимальна) показал следующее: характерные пикиизлучения бора наблюдаются как у верхней, так и у нижнейграницы распыленного факела, однако общая интенсивностьизлучения у верхней границы несколько выше, чем у нижней. Это обусловлено тем, что пары топлива JP-10 перемещаются вверх под действием выталкивающей силы, в результате чего в реакции в верхней части факела участвуетбольшее количество JP-10. В то же время у нижней границытакже фиксируются отчетливые характерные пики излучения бора, чтосогласуется с особенностями поведения бора, перемещающегосявниз под действием силы тяжести.

Разделение зон горения

На основе данных о пространственно-спектральномизлучении, полученных с помощью гиперспектральной камеры, и изображений процесса горения распыленного топлива, исследовательская группа разделила центральную часть факелагорения наножидкостного топлива B/JP-10 (вдоль оси форсунки) на четыре зоны: зону совместного горения B/JP-10 (выходной участок), зону горения JP-10 (участок стабильного горения), зонусовместного горения B/JP-10 (хвостовая часть факела) и зону горения бора. Такое зонированиеслужит основой для дальнейшего изучения механизма горения распыленного топлива.

IV. Краткий обзор применения

Применение гиперспектральной камеры CHNSpecFigSpec FS-22 при разработке высокоэнергетических наножидкостных топлив наоснове бора позволило обеспечить комплексный сбор пространственной и спектральнойинформации в процессе горения. Это решило проблему, с которой сталкиваются традиционные методы диагностики: неспособность охватить все поле факела и одновременно определитьраспределение компонентов. Стабильные характеристики визуализациии высокое спектральное разрешение камеры обеспечивают надежный инструмент для оптимизациисостава высокоэнергетических топлив, исследования механизмовгорения и построения моделей горения, способствуя технологическимпрорывам в области создания новых видов топлив для аэрокосмических двигателей.

Рекомендуемый продукт: Гиперспектральнаякамера FigSpec FS-22

• Разрешение изображения: 1920×1920

• Спектральный диапазон: 400–1000 нм

• Спектральное разрешение (FWHM): 5 нм

• Количество спектральных каналов: 600