铝化推进剂因其能够提高比冲、提升燃烧温度和抑制燃烧不稳定性而在固体火箭发动机中得到广泛应用[1]、[2]。然而，这类推进剂的燃烧会产生大量的氧化铝颗粒，其中颗粒之间的碰撞非常频繁。这在导弹剧烈机动时尤为明显，高过载会导致氧化铝颗粒浓度增加，从而提高碰撞率。当氧化铝颗粒以不同的角度和速度碰撞时，可能会发生聚合、分离和破裂等复杂现象[3]、[4]、[5]。这些现象显著影响颗粒的大小和速度分布等参数。此外，凝结相颗粒的聚集会改变发动机的内部弹道性能，提高局部推进剂的燃烧速率，并加速前向绝缘体的侵蚀性燃烧[6]。因此，研究氧化铝颗粒碰撞对于火箭发动机中的两相流动和热防护具有重要意义[7]。
颗粒碰撞在自然现象和工业过程中都很常见，例如降雨[8]、油水分离[9]、[10]以及喷雾过程[11]、[12]。颗粒碰撞可能导致聚合、分离和破裂等多种结果[13]，从而改变颗粒的数量、大小和空间分布，进而影响燃烧效率、雾化效果和其他工业过程。因此，研究颗粒碰撞机制对于优化工业过程（如喷雾）至关重要。许多因素影响颗粒碰撞的结果，包括颗粒的物理性质[14]、[15]以及撞击位置[16]。由于这些自然和工业过程中涉及的流体具有不同的粘度和表面张力，不同类型颗粒的碰撞行为也有所不同。因此，尽管已经对各种颗粒碰撞进行了大量研究，但仍有必要对新类型的颗粒碰撞进行探索。
迄今为止，已经对多种类型的颗粒碰撞进行了大量实验研究，包括水[17]、烷烃[18]、乙醇[19]、硅油[20]和柴油[21]。李等人[22]使用高速摄像机捕捉了不同时刻乙醇颗粒的形状和参数，分析了聚合振荡的无量纲纵横比、破裂的临界尺寸比以及颗粒物理性质的演变。黄等人[23]采用实验和尺度分析方法全面研究了控制聚合和反弹之间转变的机制和参数。在拉伸分离和反射分离过程中，颗粒之间的液桥会断裂，可能导致次级颗粒的形成。Stone等人[24]、[25]通过实验发现，拉伸和变形颗粒分裂成子颗粒的机制包括末端挤压和毛细不稳定性。随着研究的进展，一些学者开始研究高粘度颗粒的碰撞。Gotaas等人[26]实验研究了粘度在22–48 mPa·s范围内的单乙二醇（MEG）、二乙二醇（DEG）和三乙二醇（TEG）颗粒的碰撞行为，并将他们的结果与Ashgriz和Poo[17]以及Jiang等人[18]提出的聚合和拉伸分离之间的理论界限进行了比较。他们发现，粘度的增加增强了碰撞过程中的粘性耗散，使得We-B图中反射分离和拉伸分离的界限向更高的Weber数移动。对于高表面张力的颗粒，贾等人[27]在室温下生成了GaInZn金属颗粒，并确定了六种碰撞类型：聚合、拉伸分离、指状分离、指状分离后的聚合、指状分离后的破裂以及带有指状挤压的拉伸分离，表明高表面张力颗粒与低粘度和低表面张力颗粒（如水[28]）之间存在显著差异。对于高温颗粒，已经进行了熔融铝颗粒撞击墙壁[29]和高温氧化铝颗粒撞击墙壁[30]的实验研究，成功克服了氧化铝熔点高的问题。然而，关于高温氧化铝颗粒碰撞的研究仅限于数值模拟[5]，而这些算法仅使用水、煤油等低表面张力颗粒的实验结果进行了验证，其碰撞动力学与氧化铝颗粒有很大不同。
总之，氧化铝颗粒之间的碰撞在固体火箭发动机内的两相流动动力学和热防护中起着关键作用。尽管如此，迄今为止的研究仍局限于数值模拟，国内外都缺乏实验研究。鉴于不同类型颗粒之间的碰撞行为存在显著差异，用低表面张力颗粒校准的数值模型在氧化铝系统中的适用性尚未得到验证。在本研究中，开发了一个用于研究二元高温氧化铝颗粒碰撞的实验系统，使得系统化的实验研究成为可能。这项研究不仅推进了高粘度和高表面张力颗粒碰撞的研究，还为固体火箭发动机的设计提供了宝贵的参考，具有重要的学术和工程意义。
