CN109883906B - 一种纳米金属两相流体稳定性测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及两相流体测量技术，旨在提供一种纳米金属两相流体稳定性测量方法。该方法是利用能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源发射水平的投射光，在一定时间内测量通过纳米金属两相流体之后的透射光的强度变化情况；通过光强变化图获取两相流体分层沉淀的高度数值和时间节点，用其表征流体样品的稳定性。本发明能够定性定量地获得纳米金属两相流体燃料中固相颗粒的沉降过程，更加全面准确地判断该两相流体的稳定性；该方法为非接触式测量过程，对测量的对象，即纳米金属两相流体本身的形态不会产生破坏或改变，保持了样品的完整性，被测样品能够继续使用；该方法操作简单易行，测量过程程序化，使测量结果更加全面、准确。
Description
技术领域
本发明属于两相流体测量技术，涉及一种纳米金属/煤油两相流体稳定性的测量方法。
背景技术
随着航空航天技术的迅速发展，提高飞行器的速度和航程成为航天技术发展中所面临的巨大挑战。由于飞行器燃料系统体积有限，通过提高携带燃料的密度和体积能量的方法，加大燃料提供的动力，可以明显提高飞行速度和扩展航程。目前使用的烃类燃料体积热值有限，已不能满足飞行器进一步提高飞行性能的需求。通过人工合成获得的高密度燃料(如JP-10)虽然具有较好的综合性能，但由于碳氢化合物的密度和体积热值不会随着环结构的增加而无限制地增加，且燃料低温性质随密度的增加逐步恶化。因此，要进一步提升液体航空燃料的能量密度，仅靠人工合成高密度体积热值的碳氢燃料具有较大的局限性，迫切需要另辟途径。
金属颗粒具有较高的体积能量密度(铝为83.6MJ/L、硼为131.6MJ/L)，是一种典型的固体推进剂主要含能燃料成分。纳米金属流体燃料是将具有高能量密度的金属纳米颗粒分散在液体碳氢燃料中，形成一种高能量密度的两相混合流体燃料。它相较于目前常用的碳氢液体燃料，具有更高的体积能量密度，通过添加不同比例的铝、硼纳米颗粒，所得燃料的能量密度较JP-10最大可提高50％，能有效满足提高飞行器性能的要求，目前已受到国内外同行的高度关注。
但纳米金属两相流体燃料在研究过程中也面临巨大挑战：纳米金属颗粒由于密度大、比表面积大、表面活性强，容易团聚沉降，很难均匀、稳定地分散在液体燃料中，即金属流体燃料的稳定性较差，难以长期储存。因此，纳米金属两相流体的稳定性问题也成为该领域的研究热点，并已严重阻碍这一技术的进一步研究发展和应用。目前有关固液两相流体稳定性的测量方法主要有棒插法、倒置法、析水法、静止观察法等，其中大多是定性的、接触式的，且测量人员的主观性影响较强，在测量过程中甚至会对流体样品本身产生破坏。对于研究者来说，这些测量方法实用性和可操作性不强。因此，迫切需要开发一种新型的纳米金属两相流体稳定性测量方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有测量技术中的不足，提出一种纳米金属两相流体稳定性测量方法，通过利用近红外光在两相流体中的透射强度变化来表征稳定性。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种纳米金属两相流体稳定性测量方法，是利用能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源发射水平的投射光，在一定时间内测量通过纳米金属两相流体之后的透射光的强度变化情况；通过光强变化图获取两相流体分层沉淀的高度数值和时间节点，用其表征流体样品的稳定性。
本发明中，该方法具体包括以下步骤：
(1)将纳米金属两相流体置于透明材质的容器中；在容器一侧设置能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源用于发射水平的投射光，在容器另一侧对应设置用于测量透射光的光检测器；
(2)按设定的移动速度和扫描间隔，以脉冲近红外光源对纳米金属两相流体进行扫描，并以光检测器测量透射光的强度变化；制作透射光随时间变化的光强变化图，以光强变化图上的出峰位置作为两相流体经分层沉淀出现固液分界线的时间节点，并记录该时间节点对应的脉冲近红外光源的扫描高度数值；
(3)以出现固液分界线时脉冲近红外光源的扫描高度数值，作为两相流体经分层沉淀后未析油部分的高度；定义纳米金属两相流体的稳定率等于未析油部分高度与两相流体总高度的比值，用稳定率与固液分界线对应时间制作曲线图，以此定量表征纳米金属两相流体的稳定性随时间变化的规律。
本发明中，所述脉冲近红外光源发射的近红外光波长为880nm。
本发明中，所述纳米金属两相流体中的固相金属为纳米铝或纳米硼，液相为航空煤油(如JP-10、RP-3等)。
本发明中，所述纳米金属两相流体中的固相质量浓度为5～30％，液相质量浓度为70～95％。
本发明中，所述脉冲近红外光源是Turbiscan Lab型脉冲近红外光源光谱仪。
发明原理描述
本发明利用光散射技术，在通过纳米金属两相流体时获得透射光的强度变化，所得到透射光强度是直接由两相流体中的固相浓度和平均粒直径决定的，在纳米金属两相流体中固相金属颗粒缓慢下沉时，透射光强度将逐渐变强，在完全沉淀，即上层没有固相颗粒时，光强度最强。通过测量透射光强度的变化，就能大致了解纳米金属两相流体在某一截面浓度或颗粒粒径的变化情况(即两相流体中固体颗粒的浓度分布和沉积情况)，从而判断出两相流体的稳定性。利用光散射技术，无论是澄清的样品还是浑浊的样品都能检测到光强的变化。利用透射光度变化情况，以判断样品在制备后的分层和沉淀情况，以表征流体样品的稳定性。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
(1)本发明能够定性定量地获得纳米金属两相流体燃料中固相颗粒的沉降过程，更加全面准确地判断该两相流体的稳定性；
(2)该方法为非接触式测量过程，对测量的对象，即纳米金属两相流体本身的形态不会产生破坏或改变，保持了样品的完整性，被测样品能够继续使用；
(3)该方法操作简单易行，测量过程程序化，使测量结果更加全面、准确。
附图说明
图1为本发明中测量装置布置示意图。
图2为本发明中几个示例的稳定率与时间变化曲线图。
附图标记：1脉冲近红外光源；2容器；3纳米金属两相流体；4发射光和透射光。
附图标记4的说明：最上面一条表示未经过两相流体的发射光，下面两条表示经过两相流体后的透射光；由于沉积的原因，越往下方固相金属颗粒浓度越大，透射光越弱。
具体实施方式
本发明中所述纳米金属两相流体稳定性测量方法，具体包括以下步骤：
(1)将纳米金属两相流体3置于透明材质的容器2中；在容器2一侧设置能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源1用于发射水平的投射光，在容器2另一侧对应设置用于测量透射光的光检测器；
纳米金属两相流体3中的固相金属为纳米铝或纳米硼，液相为航空煤油(如JP-10、RP-3等)。固相质量浓度为5～30％，液相质量浓度为70～95％。脉冲近红外光源1可选Turbiscan Lab型脉冲近红外光源光谱仪，所发射的近红外光波长为880nm。
(2)按设定的移动速度和扫描间隔，以脉冲近红外光源1对纳米金属两相流体3进行扫描，并以光检测器测量透射光的强度变化；制作透射光随时间变化的光强变化图，以光强变化图上的出峰位置作为两相流体经分层沉淀出现固液分界线的时间节点，并记录该时间节点对应的脉冲近红外光源1的扫描高度数值；
(3)以出现固液分界线时脉冲近红外光源1的扫描高度数值，作为两相流体经分层沉淀后未析油部分的高度；定义纳米金属两相流体3的稳定率等于未析油部分高度与两相流体总高度的比值，用稳定率与固液分界线对应时间制作曲线图，以此定量表征纳米金属两相流体3的稳定性随时间变化的规律。
如图1所示，将制备好的纳米金属两相流体样品3倒入一个圆柱形的玻璃测试容器2中，样品高度为42±1mm。容器2两侧分别设置Turbiscan Lab型脉冲近红外光源1和用于检测透射光的光检测器，近红外光源的波长为880nm。，在长度55mm的样品瓶上每间隔40μm的高度发射一次水平方向的透射光以进行扫描，并收集经透射光强度的数据。实验中，在样品制备完成后1h内对样品进行多次扫描，频次根据样品特性及研究目的确定，本次实验1次/10min，根据透过两相流体样品的透射光强度变化，获得两相流体的稳定性。
根据Turbiscan Lab型脉冲近红外光源对透射光强的测量结果可获得光强变化图，根据图上峰出现的位置可得到固液分界线，定义纳米金属两相流体稳定率等于两相流体中未析油部分高度/两相流体总高度。
实施例1：纳米金属流体由纳米铝粉和JP-10组成，铝粉质量占流体总重量5％(即固相浓度为5％)，将制备好的纳米金属流体倒入圆柱形的玻璃测试容器中，利用TurbiscanLab型脉冲近红外光源进行稳定性测量，结果如图2所示。
实施例2：纳米金属流体由纳米铝粉和RP-3组成，铝粉质量占流体总重量20％(即固相浓度为20％)，将制备好的纳米金属流体倒入圆柱形的玻璃测试容器中，利用Turbiscan Lab型脉冲近红外光源进行稳定性测量，结果如图2所示。
实施例3：纳米金属流体由纳米硼粉和RP-3组成，铝粉质量占流体总重量30％(即固相浓度为30％)，将制备好的纳米金属流体倒入圆柱形的玻璃测试容器中，利用Turbiscan Lab型脉冲近红外光源进行稳定性测量，结果如图2所示。
由图2可见，随着时间的延长，纳米金属两相流体中的固相颗粒逐步沉降下来，利用透射光的强度变化获得固液分界面，可计算获得稳定率。在添加的固相金属颗粒较少时，如实施例1中(5％的固相浓度)，纳米金属两相流体比较均匀稳定，颗粒沉降很少，透射光变化不大，即稳定率接近100％。随着加入的固相金属颗粒的增加，稳定性变差，稳定率下降。
可见，该图表明通过本发明专利的实施，可明确反映出纳米金属两相流体中各位置的固相颗粒浓度随时间的变化规律，定量获得两相流体的稳定性随时间的变化规律，对纳米金属两相流体燃料的研究和应用有重要的指导意义。
Claims (4)
1.一种纳米金属两相流体稳定性测量方法，其特征在于，利用能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源发射水平的投射光，在一定时间内测量通过纳米金属两相流体之后的透射光的强度变化情况；通过光强变化图获取两相流体分层沉淀的高度数值和时间节点，用其表征流体样品的稳定性；
具体包括以下步骤：
（1）将纳米金属两相流体置于透明材质的容器中，纳米金属两相流体中的固相质量浓度为5～30%，液相质量浓度为70～95%；在容器一侧设置能竖向移动进行扫描的脉冲近红外光源用于发射水平的投射光，在容器另一侧对应设置用于测量透射光的光检测器；
（2）按设定的移动速度和扫描间隔，以脉冲近红外光源对纳米金属两相流体进行扫描，并以光检测器测量透射光的强度变化；制作透射光随时间变化的光强变化图，以光强变化图上的出峰位置作为两相流体经分层沉淀出现固液分界线的时间节点，并记录该时间节点对应的脉冲近红外光源的扫描高度数值；
（3）以出现固液分界线时脉冲近红外光源的扫描高度数值，作为两相流体经分层沉淀后未析油部分的高度；定义纳米金属两相流体的稳定率等于未析油部分高度与两相流体总高度的比值，用稳定率与固液分界线对应时间制作曲线图，以此定量表征纳米金属两相流体的稳定性随时间变化的规律。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲近红外光源发射的近红外光波长为880nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米金属两相流体中的固相金属为纳米铝或纳米硼，液相为航空煤油。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲近红外光源是Turbiscan Lab 型脉冲近红外光源光谱仪。
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