Aplicación de cámaras hiperespectral en el estudio de la atomización y combustión de combustibles nanofluidos a base de boro

I. Antecedentes de la investigación y requisitos de prueba

En el campo de la investigación de sistemas de propulsión aeroespacial, los combustibles nanofluidos de alta energía a base de boro, como un nuevo tipo de combustible de alta densidad energética, han recibido amplia atención por sus características de atomización y combustión. En el estudio de las características de ignición y combustión de los combustibles nanofluidos B/JP-10, el equipo de investigación necesitaba probar los espectros de emisión característicos espaciales de la llama de combustión de atomización del combustible.

Los métodos tradicionales de prueba espectral luchan por obtener información espectral en diferentes posiciones de la llama, mientras que las cámaras hiperespectrales de imágenes pueden adquirir simultáneamente la información espacial y espectral del objetivo, cumpliendo con los requisitos de investigación para el análisis de la distribución espacial de los componentes de la llama. El equipo de investigación seleccionó la cámara hiperespectral de imágenes FS-22 producida por CHNSpec Technology Co., Ltd. para probar sistemáticamente los espectros de radiación espacial de la llama de atomización del combustible.

II. Métodos de prueba y selección espectral

Durante el proceso de investigación, se utilizó la cámara hiperespectral de imágenes FS-22 junto con un sistema de prueba de combustión de atomización de combustible de nanofluidos. Este sistema de prueba consta principalmente de un sistema de alimentación de muestras, una boquilla de atomización, un sistema de prueba y un sistema de muestreo. Se utiliza una boquilla de atomización de aire para atomizar el combustible nanofluido a base de boro y se utiliza un arco de plasma para encender el chorro atomizado de la muestra.

La cámara hiperespectral se utilizó para recopilar datos espectrales de radiación espacial de la llama de atomización del combustible. Basándose en los espectros característicos típicos de la combustión de combustibles de hidrocarburos y elementos de boro, el equipo de investigación seleccionó dos bandas de radiación específicas para su análisis:

1. 431 nm (banda azul):Corresponde a la radiación de radicales CH, utilizada para caracterizar la reacción de combustión del combustible de hidrocarburos JP-10.

2. 581 nm (banda verde):Corresponde a la radiación de radicales BO₂, utilizada para caracterizar la reacción de combustión de partículas de boro.

Figura 7.11 Densidad radiativa del 10% en peso de combustible nanofluido B/JP-10 a 431 nm y 581 nm

Al realizar análisis de imágenes de la distribución espacial de la intensidad de la radiación en estas dos bandas características, los investigadores pueden distinguir los tipos de reacción dominantes en diferentes posiciones dentro de la llama atomizada.

III. Resultados experimentales y análisis

Análisis espectral de la posición del centro axial

Los datos de imágenes adquiridos por la cámara hiperespectral muestran que la radiación espectral en el centro axial de la antorcha atomizada exhibe patrones de variación obvios. Las curvas espectrales en la Posición 1 y la Posición 2 contienen los "picos de cinco dedos" característicos de la combustión de boro, y la intensidad de la radiación aumenta con la distancia desde la boquilla, lo que indica que existe una reacción de combustión de boro en el centro del soplete atomizado desde la boquilla hasta la Posición 2 y se fortalece gradualmente con el movimiento de las partículas de boro. De la Posición 3 a la Posición 5, los picos característicos del boro en el centro de la llama atomizada desaparecen, lo que indica que no se produce ninguna reacción química significativa de las partículas de boro en esta sección.

Análisis espectral de posiciones radiales

Tomando como centro la Posición 4, donde la intensidad de radiación del centro axial es más alta, un análisis comparativo de la radiación espectral en diferentes posiciones radiales reveló: existen picos característicos de radiación de boro en los bordes superior e inferior de la antorcha atomizada, pero la intensidad de radiación general en el borde superior es ligeramente mayor que en el borde inferior. Esto se debe a que el vapor de JP-10 se mueve hacia arriba bajo la influencia de la flotabilidad, lo que hace que una mayor cantidad de JP-10 participe en la reacción en la parte superior de la antorcha. Al mismo tiempo, existen distintos picos característicos de radiación de boro en el borde inferior, lo que es consistente con la característica del boro que se mueve hacia abajo bajo la influencia de la gravedad.

División de Zona de Combustión

Con base en los datos de radiación espectral espacial adquiridos por la cámara hiperespectral y combinados con imágenes de combustión de atomización de combustible, el equipo de investigación dividió el centro de la llama de atomización de combustible de nanofluido B/JP-10 a lo largo de la dirección axial de la boquilla en cuatro zonas de combustión: zona de combustión acoplada B/JP-10 (sección de salida), zona de combustión monofásica JP-10 (sección de combustión estable), zona de combustión acoplada B/JP-10 (sección de llama de cola) y zona de combustión monofásica de boro. Esta división regional proporciona una base para comprender mejor el mecanismo de combustión por atomización del combustible.

IV. Resumen del caso

La aplicación de la cámara hiperespectral CHNSpec FigSpec FS-22 en la investigación y el desarrollo de combustibles nanofluidos de alta energía a base de boro ha logrado la recopilación integrada de información espacial y espectral durante el proceso de combustión, resolviendo el problema donde los métodos de detección tradicionales luchan por cubrir todo el campo de llamas y no pueden obtener distribuciones de componentes simultáneamente. Su rendimiento estable de imágenes y sus capacidades de resolución espectral fina proporcionan un medio de detección confiable para la optimización de fórmulas de combustibles de alta energía, la investigación de mecanismos de combustión y el establecimiento de modelos de combustión, lo que contribuye a los avances técnicos para nuevos tipos de combustibles de propulsión aeroespacial.

Recomendación de producto:Cámara hiperespectral de imágenes FigSpec FS-22

• Resolución de imagen: 1920*1920
• Rango espectral: 400-1000 nm
• Resolución espectral (FWHM): 5 nm
• Número de canales espectrales: 600