飛秒激光誘導等離子體助燃機理研究.pdf

1、等離子體助燃(Plasma-assisted combustion, PAC)是當下全球十分關注的熱門課題,是等離子體科學與技術一個新興的領域。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燃燒氧化進程,提高燃燒速度和燃燒效率。近年來,隨著工業(yè)和科學技術的發(fā)展,如何提高工業(yè)燃燒爐、內燃機、燃氣輪機、沖壓發(fā)動機等工業(yè)燃燒器和航空發(fā)動機的燃燒效率和降低污染氣體的排放成為當前非常重要的科學與工程問題。為此,等離子

2、體助燃技術引起了人們越來越大的興趣。
　　激光誘導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,重復頻率大于1kHz,這是一般激光器很難滿足的,因此,上世紀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1014W/cm2)實現(xiàn)了高效率激光誘導等離子體助燃;使得 CH4/O2/

3、N2預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%),而之前報導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,提出了研究內容和擬解決的關鍵問題。然后,從激光動力學、燃燒學和化學反應動力學基本理論出發(fā)分析了激光誘導等離子體助燃方法的可

4、行性。針對熱源點火模型的不足,通過引入化學動力學助燃新思想,給出了吹熄極限與激光參量之間的函數(shù)關系,并由此分析獲知助燃效率主要決定于激光能量、重頻、脈寬、波長和幾何結構(主要是激光焦點位置),以及燃料特性、氧/氮混合氣體中氧氣的體積百分比和化學當量比等。在此基礎上，設計并研制了飛秒激光誘導等離子體助燃實驗裝置。
　　其次,本文主要研究了混合氣體的化學當量比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

5、位置h/D對CH4/O2/N2預混火焰吹熄極限的影響規(guī)律。實驗結果表明,當上述參量設不同值時,飛秒激光誘導等離子體助燃方法都能增強預混火焰的穩(wěn)定性,而且預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范圍內時,CH4/air預混火焰的吹熄極限提高了19.9%～63.2%;當XO為20%～22.2%時,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, Su增加了7.3%～25.7%。
　　再次,本文采用全新的實驗裝置,確定了飛秒激光誘導等離子體助燃機制和對燃燒有促進作用的“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作用對燃燒的影響。實驗結果表明只有很少的等離子體能量轉化為

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等離子體助燃以動力學助燃機制為主,具有很高的能量利用效率?；诖?采用化學反應法,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,本文采用實驗與數(shù)值計算相結合的方法研究了飛秒激光誘導等離子體助燃機理。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燃燒化學反應潛力的“活性”粒子?；诮?jīng)典的甲烷燃燒機理GRI-Mech3.0模型,通過加入上述“活性”粒子及與之相關的基元反應,建立了激光誘導等離子體助燃CH4/O2/N2反應體系的化學動力學模型;并應用CHEMKIN軟件進行了數(shù)值模擬計算,數(shù)值計算結果與實驗結果基本吻合;證明本文所建立的