飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃機(jī)理研究.pdf

1、等離子體助燃(Plasma-assisted combustion, PAC)是當(dāng)下全球十分關(guān)注的熱門課題,是等離子體科學(xué)與技術(shù)一個新興的領(lǐng)域。它通過將燃料和氧化劑電離、解離或激發(fā)為活性分子、原子、自由基和分子碎片等促進(jìn)燃燒氧化進(jìn)程,提高燃燒速度和燃燒效率。近年來,隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,如何提高工業(yè)燃燒爐、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)等工業(yè)燃燒器和航空發(fā)動機(jī)的燃燒效率和降低污染氣體的排放成為當(dāng)前非常重要的科學(xué)與工程問題。為此,等離子

2、體助燃技術(shù)引起了人們越來越大的興趣。
　　激光誘導(dǎo)等離子體助燃方法是等離子體助燃方法中的一種,它有著其它助燃方法不具備的優(yōu)勢,如無電極、完全非介入、無電磁干擾等。它要求激光脈沖峰值功率密度大于1010W/cm2,重復(fù)頻率大于1kHz,這是一般激光器很難滿足的,因此,上世紀(jì)90年代提出至今,仍處于理論研究階段。本文首次采用飛秒激光(重頻為1kHz,功率密度可達(dá)1014W/cm2)實(shí)現(xiàn)了高效率激光誘導(dǎo)等離子體助燃;使得 CH4/O2/

3、N2預(yù)混火焰的吹熄極限和火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e提高了232.4％和25.7%;所用離子體功率僅為0.39W(約為火焰最大放熱功率的0.05%),而之前報(bào)導(dǎo)的放電等離子體功率都大于火焰放熱功率的0.3%。
　　本文首先詳細(xì)闡述了等離子體和激光等離子體助燃方法、等離子體助燃機(jī)理的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了迄今為止研究中存在的不足,提出了研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題。然后,從激光動力學(xué)、燃燒學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本理論出發(fā)分析了激光誘導(dǎo)等離子體助燃方法的可

4、行性。針對熱源點(diǎn)火模型的不足,通過引入化學(xué)動力學(xué)助燃新思想,給出了吹熄極限與激光參量之間的函數(shù)關(guān)系,并由此分析獲知助燃效率主要決定于激光能量、重頻、脈寬、波長和幾何結(jié)構(gòu)(主要是激光焦點(diǎn)位置),以及燃料特性、氧/氮混合氣體中氧氣的體積百分比和化學(xué)當(dāng)量比等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃實(shí)驗(yàn)裝置。
　　其次,本文主要研究了混合氣體的化學(xué)當(dāng)量比Φ、氧/氮混合氣體中氧氣的體積百分比XO、激光脈沖能量Elaser和激光焦點(diǎn)

5、位置h/D對CH4/O2/N2預(yù)混火焰吹熄極限的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)上述參量設(shè)不同值時(shí),飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃方法都能增強(qiáng)預(yù)混火焰的穩(wěn)定性,而且預(yù)混火焰吹熄極限的提高率是上述參量的函數(shù)。在Φ為0.7～1.0范圍內(nèi)時(shí),CH4/air預(yù)混火焰的吹熄極限提高了19.9%～63.2%;當(dāng)XO為20%～22.2%時(shí),吹熄極限提高了25.3%～232.4%。還研究了不同Φ、XO、混合氣體流量Q和激光焦點(diǎn)位置Z/hw條件下,飛秒激光等離子體對

6、火焰?zhèn)鞑ニ俣萐u的影響規(guī)律。在Φ=0.8～1.5較寬范圍內(nèi), Su增加了7.3%～25.7%。
　　再次,本文采用全新的實(shí)驗(yàn)裝置,確定了飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃機(jī)制和對燃燒有促進(jìn)作用的“活性”粒子的平均壽命。在該裝置中,氧氣或甲烷首先被飛秒激光誘導(dǎo)形成等離子體,然后再與其它氣體混合并發(fā)生燃燒。其主要優(yōu)點(diǎn)是將等離子體區(qū)與燃燒區(qū)隔離,這樣便于分別測量分析等離子體的熱作用和動力學(xué)作用對燃燒的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明只有很少的等離子體能量轉(zhuǎn)化為

7、熱能,等離子體周圍環(huán)境氣流溫度升高了不到2K,其熱作用可以忽略。由此可知飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃以動力學(xué)助燃機(jī)制為主,具有很高的能量利用效率?；诖?采用化學(xué)反應(yīng)法,測得氧和甲烷等離子體中無熒光輻射的“活性”粒子的平均壽命分別為5.6±0.4ms和9.4±0.6ms。
　　最后,本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了飛秒激光誘導(dǎo)等離子體助燃機(jī)理。利用等離子體自發(fā)輻射熒光光譜分別測量了O2、CH4、O2/N2和CH4/O2/N2等

8、離子體的組分,并分析獲知 O2(b1Σg+)、O2(a1Δg)、O、O3、CH3、CH2、CH、H、H2和N2(A3Σu+)等十種長壽命粒子是具有促進(jìn)燃燒化學(xué)反應(yīng)潛力的“活性”粒子?；诮?jīng)典的甲烷燃燒機(jī)理GRI-Mech3.0模型,通過加入上述“活性”粒子及與之相關(guān)的基元反應(yīng),建立了激光誘導(dǎo)等離子體助燃CH4/O2/N2反應(yīng)體系的化學(xué)動力學(xué)模型;并應(yīng)用CHEMKIN軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合;證明本文所建立的