激光激活氧分子助燃CH4-O2預混燃燒理論與實驗研究.pdf

1、隨著航空航天技術的進步，發(fā)展大推力火箭和高超聲速飛行器的需要對燃料燃燒速率提出了更高的要求。因此，如何有效的提高燃燒反應速率，降低燃料點火溫度成為當前研究的熱點，激光助燃點火技術的應用為提高化學反應速率提供了新的手段。目前為止，廣泛研究的激光助燃點火技術主要有激光誘導熱點火，激光誘導光化學點火，激光誘導火花點火。最近，俄羅斯學者提出了一種采用激光激活反應分子至某一激發(fā)態(tài)降低反應活化能從而到達助燃目的的新方法。本文對層流預混條件下激光激活

2、反應分子的助燃機理進行了理論模擬計算和實驗上的研究，此外，還對激光等離子體助燃方法進行了實驗研究和模擬計算。
　　本文在對氧分子的X3Σg--b1Σg+和X3Σg--a1Δg三重禁戒躍遷機理，以及燃燒化學反應動力學過程分析的基礎上，建立了含有激光激勵氧分子動力學過程的層流預混燃燒反應動力學模型，計算了包含b1Σg+、a1Δg激發(fā)態(tài)氧分子反應的活化能。
　　在此基礎上，利用氣相化學反應動力學軟件CHEMKIN模擬計算了762n

3、m和1268nm激光激勵氧分子到b1Σg+和a1Δg態(tài)的H2/O2和CH4/O2預混燃燒反應動力學過程，發(fā)現(xiàn)在激光作用下點火延遲時間明顯減小。反應邊界條件為T=900K、壓強1atm、吸收程長103cm時，無激光時H2/O2反應延遲時間0.05326s，762nm激光功率10kW/cm2時反應延遲時間0.0184s，減小了65％；反應邊界條件為T=1000K、壓強1atm、吸收程長103cm時，無激光時CH4/O2反應延遲時間0.234

4、3s，762nm激光功率10kW/cm2時反應延遲時間0.02861s，減小了87%。此外，還分析了激光功率密度、溫度、壓強等條件對燃燒反應過程的影響規(guī)律。
　　設計并搭建了用于研究火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊娜紵磻獙嶒炂脚_，利用該實驗臺進行了762nm激光激活氧分子層流預混助燃實驗研究，采用本生燈法測量了激光作用前后的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，無激光作用時火焰?zhèn)鞑ニ俣?52.91mm/s，761nm激光作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣?66.33m

5、m/s，761.5nm作用下162.06mm/s，762nm作用下158.35mm/s，分別提高了8.77%，5.98%，3.55%。
　　采用飛秒激光進行了激光激活氧分子層流預混助燃實驗研究，利用本生燈法測量了火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓瑢嶒灠l(fā)現(xiàn)激光作用后火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@提高，無激光作用時火焰?zhèn)鞑ニ俣?57.15mm/s，激光聚焦在管口、管口下、管口側面、焰尖四個不同位置火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為176.71mm/s，172.02mm/s，18