Application des caméras hyperspectrales à l'étude de l'atomisation et de la combustion de carburants nanofluides à base de bore

I. Contexte de recherche et exigences en matière de tests

Dans le domaine de la recherche sur les systèmes de propulsion aérospatiale, les carburants nanofluides à haute énergie à base de bore, en tant que nouveau type de carburant à haute densité énergétique, ont reçu une large attention pour leurs caractéristiques d'atomisation et de combustion. Dans l’étude des caractéristiques d’allumage et de combustion des carburants nanofluides B/JP-10, l’équipe de recherche devait tester les spectres d’émission caractéristiques spatiales de la flamme de combustion par atomisation du carburant.

Les méthodes traditionnelles de test spectral peinent à obtenir des informations spectrales à différentes positions de la flamme, alors que les caméras hyperspectrales d'imagerie peuvent acquérir simultanément les informations spatiales et spectrales de la cible, répondant ainsi aux exigences de recherche en matière d'analyse de la distribution spatiale des composants de la flamme. L'équipe de recherche a sélectionné la caméra hyperspectrale d'imagerie FS-22 produite par CHNSpec Technology Co., Ltd. pour tester systématiquement les spectres de rayonnement spatial de la flamme d'atomisation du carburant.

II. Méthodes de test et sélection spectrale

Au cours du processus de recherche, la caméra hyperspectrale d’imagerie FS-22 a été utilisée conjointement avec un système de test de combustion par atomisation de carburant nanofluide. Ce système de test se compose principalement d'un système d'alimentation en échantillons, d'une buse d'atomisation, d'un système de test et d'un système d'échantillonnage. Une buse d'atomisation d'air est utilisée pour atomiser le carburant nanofluide à base de bore, et un arc plasma est utilisé pour enflammer le jet atomisé de l'échantillon.

La caméra hyperspectrale a été utilisée pour collecter des données spectrales de rayonnement spatial de la flamme d'atomisation du carburant. Sur la base des spectres caractéristiques typiques de la combustion de l’élément bore et des hydrocarbures, l’équipe de recherche a sélectionné deux bandes de rayonnement spécifiques à analyser :

1. 431 nm (bande bleue) :correspond au rayonnement des radicaux CH, utilisé pour caractériser la réaction de combustion du carburant hydrocarbure JP-10.

2. 581 nm (bande verte) :correspond au rayonnement des radicaux BO₂, utilisé pour caractériser la réaction de combustion des particules de bore.

Figure 7.11 Densité radiative de 10 % en poids de carburant nanofluide B/JP-10 à 431 nm et 581 nm

En effectuant une analyse d'imagerie sur la distribution spatiale de l'intensité du rayonnement dans ces deux bandes caractéristiques, les chercheurs peuvent distinguer les types de réactions dominants à différentes positions au sein de la flamme atomisée.

III. Résultats expérimentaux et analyse

Analyse spectrale de la position du centre axial

Les données d'image acquises par la caméra hyperspectrale montrent que le rayonnement spectral au centre axial de la torche atomisée présente des modèles de variation évidents. Les courbes spectrales aux positions 1 et 2 contiennent les « pics à cinq doigts » caractéristiques de la combustion du bore, et l'intensité du rayonnement augmente avec la distance de la buse, indiquant qu'une réaction de combustion du bore existe au centre de la torche atomisée depuis la buse jusqu'à la position 2 et se renforce progressivement avec le mouvement des particules de bore. De la position 3 à la position 5, les pics caractéristiques du bore au centre de la flamme atomisée disparaissent, indiquant qu'aucune réaction chimique significative des particules de bore ne se produit dans cette section.

Analyse spectrale des positions radiales

En prenant la position 4, où l'intensité du rayonnement du centre axial est la plus élevée, en tant que centre, une analyse comparative du rayonnement spectral à différentes positions radiales a révélé : des pics caractéristiques du rayonnement du bore existent aux bords supérieur et inférieur de la torche atomisée, mais l'intensité globale du rayonnement au bord supérieur est légèrement supérieure à celle au bord inférieur. En effet, la vapeur du JP-10 se déplace vers le haut sous l'influence de la flottabilité, ce qui entraîne une plus grande quantité de JP-10 participant à la réaction au niveau de la partie supérieure de la torche. Simultanément, des pics caractéristiques distincts du rayonnement du bore existent sur le bord inférieur, ce qui est cohérent avec la caractéristique du bore se déplaçant vers le bas sous l'influence de la gravité.

Division Zone de Combustion

Sur la base des données de rayonnement spectral spatial acquises par la caméra hyperspectrale et combinées avec des images de combustion d'atomisation de carburant, l'équipe de recherche a divisé le centre de la flamme d'atomisation de carburant nanofluide B/JP-10 le long de la direction axiale de la buse en quatre zones de combustion : zone de combustion couplée B/JP-10 (section de sortie), zone de combustion monophasée JP-10 (section de combustion stable), zone de combustion couplée B/JP-10 (section de flamme arrière) et zone de combustion monophasée de bore. Cette division régionale fournit une base pour mieux comprendre le mécanisme de combustion par atomisation du carburant.

IV. Résumé du cas

L'application de la caméra hyperspectrale CHNSpec FigSpec FS-22 dans la recherche et le développement de carburants nanofluides à haute énergie à base de bore a permis de réaliser la collecte intégrée d'informations spatiales et spectrales pendant le processus de combustion, résolvant ainsi le problème où les méthodes de détection traditionnelles ont du mal à couvrir l'intégralité du champ de flamme et ne peuvent pas obtenir simultanément les distributions des composants. Ses performances d'imagerie stables et ses capacités de résolution spectrale fine fournissent un moyen de détection fiable pour l'optimisation des formules de carburant à haute énergie, la recherche sur les mécanismes de combustion et l'établissement de modèles de combustion, contribuant ainsi aux percées techniques pour de nouveaux types de carburants de propulsion aérospatiale.

Recommandation de produit :Caméra hyperspectrale d'imagerie FigSpec FS-22

• Résolution d'image : 1920*1920
• Gamme spectrale : 400-1000 nm
• Résolution spectrale (FWHM) : 5 nm
• Nombre de canaux spectraux : 600