甲烷-空氣混合燃?xì)饧す庹T導(dǎo)等離子體點火研究.pdf

1、激光誘導(dǎo)等離子體點火（laser induced plasma ignition，LIPI）是實現(xiàn)貧燃燃燒系統(tǒng)和火箭發(fā)動機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠點火的一種新型點火技術(shù)，具有點火位置方便可控、點火工況適應(yīng)性好、便于多點點火等優(yōu)點。本文針對現(xiàn)有的LIPI間接點火機理模型有待完善、擴散燃?xì)釲IPI特性參數(shù)缺乏、LIPI最小點火激光脈沖能量（minimum laser pulse energy，MPE）較大從而制約其工程應(yīng)用等問題，開展了甲烷/空氣混合燃

2、氣LIPI特性和機理研究。
　　本文首先介紹了LIPI的研究現(xiàn)狀，分析了LIPI特性和機理研究存在的問題和不足，給出了本文的主要研究內(nèi)容；然后針對間接點火模型未考慮燃燒化學(xué)反應(yīng)在 LIPI過程中的作用的缺陷和影響 LIPI最終結(jié)果（點火成功或失?。┑年P(guān)鍵因素尚不明確的研究現(xiàn)狀，綜合考慮激光誘導(dǎo)等離子體（laser induced plasma，LIP）產(chǎn)生的熱效應(yīng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)，基于Taylor爆炸波理論和氣相化學(xué)動力學(xué)軟件CHE

3、MKIN，開展了甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)釲IPI燃燒化學(xué)動力學(xué)仿真研究，分析了等離子體火花能量和混合燃?xì)猱?dāng)量比對LIPI初始火核中OH基團濃度的影響以及初始火核中OH基團在 LIPI過程中的作用。分析表明，LIPI是LIP引起的熱效應(yīng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)協(xié)同作用下的一種強迫點火，在研究LIPI機理時應(yīng)充分考慮燃燒化學(xué)反應(yīng)尤其是OH基團發(fā)揮的重要作用。
　　其次，研究了氮氣、氧氣、空氣、甲烷等單元燃燒氣體LIP的擊穿閾值、電子溫度、電子密度、轉(zhuǎn)

4、動溫度等特性及其隨激光脈沖能量和氣壓的變化規(guī)律，為甲烷/空氣混合燃?xì)?LIPI的流體力學(xué)仿真提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。提出了一種基于氬原子發(fā)射譜線分支比實現(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）系統(tǒng)相對光譜響應(yīng)度標(biāo)定的方法，實現(xiàn)了221-617 nm光譜范圍內(nèi)相對光譜響應(yīng)度的標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果的不確定度為~11％；采用玻爾茲曼繪圖法和離子譜線的斯塔克加寬獲得了氮氣、氧氣、空氣LIP

5、的電子溫度和電子密度；采用凹面反射鏡法檢驗和校正了甲烷LIP對Hα譜線的自吸收，并基于Hα譜線的斯塔克加寬獲得了甲烷 LIP的電子密度；以轉(zhuǎn)動溫度為參量對C2基團Swan系統(tǒng)(0,0)譜帶進行數(shù)值模擬和匹配，獲得了甲烷LIP的轉(zhuǎn)動溫度。
　　再次，開展了基于LIBS的混合燃?xì)猱?dāng)量比測量方法研究，以甲烷/空氣層流預(yù)混火焰為標(biāo)準(zhǔn)，獲得了Hα譜線和777 nm附近氧原子三重態(tài)譜線強度比α totalH OII/I與當(dāng)量比的標(biāo)定關(guān)系以及激

6、光脈沖能量、探測點位置、混合燃?xì)饬魉俚葏⒘繉?biāo)定關(guān)系的影響，實現(xiàn)了甲烷/空氣預(yù)混火焰和甲烷擴散火焰局部當(dāng)量比的測量，為LIPI機理研究提供了一種測量局部當(dāng)量比的技術(shù)手段。
　　第四，開展了甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)?LIPI特性和機理研究。特性研究方面，系統(tǒng)研究了最小點火能量（minimum ignition energy，MIE）、點火延遲時間、吹熄時間等特性及其隨混合燃?xì)猱?dāng)量比、混合燃?xì)饬魉?、點火點位置、等離子體火花能量等實驗條件的變

7、化規(guī)律。獲得的MIE與已報道的結(jié)果吻合得很好，比電火花塞點火的MIE高一個數(shù)量級。隨著等離子體火花能量的增大，點火延遲時間逐漸降低然后趨于一個常量，吹熄時間則逐漸增大然后趨于一個常量。機理研究方面，綜合采用 LIBS技術(shù)、熒光光譜技術(shù)和單光子計數(shù)技術(shù)，同步測量了LIPI過程中的等離子體火花能量、局部當(dāng)量比和LIP形成早期（μs量級）OH基團的熒光輻射信號，采用二維參數(shù)耦合分析的方法，對上述參數(shù)與LIPI的最終結(jié)果進行關(guān)聯(lián)性分析，明確了影

8、響LIPI最終結(jié)果的關(guān)鍵因素是LIP形成早期LIPI初始火核中的OH基團濃度，初始火核中的燃燒化學(xué)反應(yīng)決定了初始火核能否發(fā)展成為自持燃燒的火焰。結(jié)合燃燒化學(xué)動力學(xué)仿真分析、實驗研究結(jié)果及已有的報道，提出了“熱效應(yīng)-燃燒化學(xué)反應(yīng)協(xié)同點火”的LIPI新機理，發(fā)展并完善了現(xiàn)有的間接點火模型。在LIP的熱效應(yīng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)協(xié)同作用下，較高的等離子體火花能量（對應(yīng)較高的剩余熱氣溫度）和靠近化學(xué)反應(yīng)恰當(dāng)比的局部當(dāng)量比有利于在初始火核中形成較高的OH

9、基團濃度，促進初始火核中H、O、OH等活性基團濃度的維持和增長，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，推動初始火核中燃燒化學(xué)反應(yīng)的進行和初始火核的發(fā)展，最終實現(xiàn)成功點火。
　　最后，首次開展了更接近實用的甲烷/富氧空氣同軸噴注擴散燃?xì)?LIPI特性研究。MIE和點火延遲時間在擴散區(qū)域表現(xiàn)出顯著的空間分布，分別為~8-18 mJ和~140-2800μs。利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT分析獲得了局部當(dāng)量比的空間分布，表明 LIPI特性的空間分布與點火點

10、的局部當(dāng)量比密切相關(guān)。同時，為了降低LIPI的MPE，提出了甲烷/富氧空氣預(yù)混燃?xì)饧す鉄g鉭靶等離子體點火的技術(shù)方案。對于氧濃度30%、流速282 cm/s、當(dāng)量比0.8-1.6的甲烷/富氧空氣預(yù)混燃?xì)?，激光燒蝕鉭靶等離子體點火的MPE為2-5 mJ，相比直接擊穿氣體點火下降了74%以上，對LIPI的工程應(yīng)用具有重要意義；點火延遲時間隨著當(dāng)量比的增大而降低，當(dāng)當(dāng)量比大于1.3時趨于一個常量~50μs。
　　本文的研究成果對于完善