studies on the combustion of aluminum particles under pressure
Etudes sur la combustion des particules d’aluminium sous pression
Résumé
Ce travail a permis de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif d’étude de la combustion de particules d’aluminium sous pression. L’appareil utilise des champs électriques et permet de placer en lévitation une particule d’aluminium de 30 à 100 µm, initialement solide. Chaque particule est enflammée à l’aide d’un laser CO2 qui peut être interrompu dès l’allumage. La combustion est suivie à l’aide d’une caméra vidéo rapide et deux photomultiplicateurs. Les séquences vidéo permettent d’observer la combustion, les photomultiplicateurs mesurent l’intensité du signal lumineux au cours de la combustion de chaque particule. L’analyse de ce signal permet de mesurer les temps de préchauffage et de combustion.
Les expériences ont montré que la combustion de particules d’aluminium se fait principalement par l’intermédiaire de réactions en phase gazeuse. La particule est entourée d’une flamme qui sous pression, masque la particule. Le temps de chauffage des particules n’est pas corrélé avec le diamètre initial des particules. Il ne dépend pas non plus de la composition ou de la pression du gaz environnant la particule. Le temps de combustion des particules est en bonne approximation proportionnel au carré du diamètre des gouttes qu’elles forment. Les mesures dans les mélanges O2-N2 ont montré que lorsque la pression augmente, le temps de combustion diminue, surtout aux plus basses pressions. Lorsque la concentration en oxygène augmente, le temps de combustion diminue. Les résultats des expériences réalisées dans des mélanges CO2-O2-N2 et CO2-N2 sont interprétés par le fait que les particules ne brûlent pas complètement.
Un modèle global de combustion a été développé. Il permet de simuler la combustion d’une particule aux conditions des expériences, et d’étendre ses résultats au cas pratique de fonctionnement des moteurs-fusées à propergol solide. Ce modèle simule la combustion en phase gazeuse des gouttes d’aluminium, en prenant en compte le dépôt d’une fraction de l’oxyde formé au niveau de la flamme, sur la goutte d’aluminium. L’accumulation progressive de cet oxyde conduit à une loi de combustion en Dn, avec n < 2, ainsi qu’à la prévision de la taille des résidus de combustion. La comparaison, dans le cas des mélanges O2-N2, des résultats prévus par ce modèle avec les résultats publiés d’une part, et avec les résultats issus des expériences, d’autre part, est satisfaisante. Le cas des mélanges CO2-O2-N2 et CO2-N2 est traité en introduisant un critère de combustion incomplète des particules. Un autre critère permettant de prévoir les microexplosions à la surface des gouttes est proposé.
This work made it possible to design and develop a new device for studying the combustion of aluminum particles under pressure. The device uses electric fields and levitates an initially solid 30 to 100 µm aluminum particle. Each particle is ignited using a CO2 laser that can be interrupted upon ignition. Combustion is monitored using a high speed video camera and two photomultipliers. The video footage makes it possible to observe the combustion, the photomultipliers measure the intensity of the light signal during the combustion of each particle. The analysis of this signal makes it possible to measure the preheating and combustion times.
Experiments have shown that the combustion of aluminum particles takes place mainly through gas phase reactions. The particle is surrounded by a flame which under pressure masks the particle. The heating time of particles does not correlate with the initial particle diameter. It also does not depend on the composition or the pressure of the gas surrounding the particle. The combustion time of the particles is in good approximation proportional to the square of the diameter of the drops they form. Measurements in O2-N2 mixtures have shown that as the pressure increases, the combustion time decreases, especially at lower pressures. As the oxygen concentration increases, the combustion time decreases. The results of the experiments carried out in CO2-O2-N2 and CO2-N2 mixtures are interpreted by the fact that the particles do not burn completely.
A global combustion model has been developed. It makes it possible to simulate the combustion of a particle under the conditions of the experiments, and to extend its results to the practical case of operation of solid rocket motors. This model simulates the gas phase combustion of aluminum drops, taking into account the deposition of a fraction of the oxide formed in the flame, on the aluminum drop. The gradual accumulation of this oxide leads to a combustion law in Dn, with n <2, as well as to the prediction of the size of the combustion residues. The comparison, in the case of O2-N2 mixtures, of the results predicted by this model with the published results on the one hand, and with the results of the experiments, on the other hand, is satisfactory. The case of CO2-O2-N2 and CO2-N2 mixtures is treated by introducing a criterion of incomplete combustion of the particles. Another criterion making it possible to predict the microexplosions on the surface of the drops is proposed.