kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃研究.pdf

1、激光燒蝕等離子體助燃技術(shù)在提高燃料吹熄極限、增強燃燒穩(wěn)定性的同時，能夠大大降低激光功率需求，對激光等離子體助燃技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。本文針對高重頻激光燒蝕等離子體助燃特性參數(shù)缺乏、作用機制尚不明確等問題，開展kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃特性和作用機制研究。
　　首先介紹了激光誘導(dǎo)等離子體助燃技術(shù)的研究進展，分析了其在機理和應(yīng)用研究方面存在的不足，提出了本文的主要研究內(nèi)容。然后，給出了基于分子發(fā)射光譜匹配技術(shù)和紋影技術(shù)的激光等離

2、子體助燃溫度和流場特性研究方法。
　　其次，基于CH基團的發(fā)射光譜，研究了McKenna標準燃燒器甲烷-空氣平面預(yù)混火焰高度2.24mm范圍內(nèi)溫度的三維空間分布，驗證了該標準燃燒器的空間均勻性。本文測得的火焰鋒面溫度介于熱力學(xué)絕熱溫度和德國宇航中心基于相干反斯托克斯拉曼光譜技術(shù)測得的燃盡區(qū)的溫度之間，驗證了基于CH基團發(fā)射光譜測溫方法的可行性。
　　最后，利用重頻1kHz、532nm的Nd:YAG激光燒蝕鉭靶產(chǎn)生等離子體，對

3、甲烷-空氣預(yù)混火焰kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃的吹熄極限、火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火核溫度等特性及其主?dǎo)作用機制進行了研究。利用平均功率5.5W的激光燒蝕等離子體作用，使當量比0.7-1.2、氣流速度4m/s的甲烷-空氣預(yù)混燃氣實現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒，相比無等離子體作用時拓展了穩(wěn)燃的當量比范圍，吹熄極限提高了30％-3.4倍?；贑H基團化學(xué)熒光成像和紋影技術(shù)獲得了氣流速度、當量比、激光平均功率對等離子體助燃火核結(jié)構(gòu)的影響。激光功率越高、當量

4、比越接近恰當比，初始火核的體積越大，燃燒越穩(wěn)定。火焰持續(xù)穩(wěn)燃的高度隨著激光功率的增大而降低。激光功率從3.48W增加到6.38W時，使當量比1、氣流速度4m/s的甲烷-空氣火焰穩(wěn)燃高度降低了0.52mm，這對于燃燒器的小型化具有重要意義?；谥蓟鸷说臅r空演化特性，建立了燒蝕等離子助燃火核發(fā)展模型，獲得了助燃過程的火焰?zhèn)鞑ニ俣取＜す鉄g等離子體的作用提高了甲烷-空氣預(yù)混火焰的傳播速度，促進了火焰穩(wěn)定。采用平均功率4.52W的激光作用，使

5、氣流度4m/s、當量比0.8-1.3的甲烷-空氣預(yù)混燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾葻o等離子體作用時提高了28.2%-2.4倍。通過對比空氣、甲烷-空氣預(yù)混氣和甲烷-氮氣預(yù)混氣中激光燒蝕等離子體的溫度特性和激光功率對等離子體助燃初始火核溫度時空演化特性的影響，分析了激光燒蝕等離子體助燃的作用機制。研究表明，激光燒蝕等離子體引起的熱效應(yīng)（宏觀溫升）有限，其主要的物理機制是激光燒蝕等離子體激發(fā)出的活性粒子促進了燃燒化學(xué)反應(yīng)進程。
　　本文的研究