激光激活氧分子助燃CH4-O2預(yù)混燃燒理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展大推力火箭和高超聲速飛行器的需要對(duì)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(yīng)速率，降低燃料點(diǎn)火溫度成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，激光助燃點(diǎn)火技術(shù)的應(yīng)用為提高化學(xué)反應(yīng)速率提供了新的手段。目前為止，廣泛研究的激光助燃點(diǎn)火技術(shù)主要有激光誘導(dǎo)熱點(diǎn)火，激光誘導(dǎo)光化學(xué)點(diǎn)火，激光誘導(dǎo)火花點(diǎn)火。最近，俄羅斯學(xué)者提出了一種采用激光激活反應(yīng)分子至某一激發(fā)態(tài)降低反應(yīng)活化能從而到達(dá)助燃目的的新方法。本文對(duì)層流預(yù)混條件下激光激活

2、反應(yīng)分子的助燃機(jī)理進(jìn)行了理論模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上的研究，此外，還對(duì)激光等離子體助燃方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算。
　　本文在對(duì)氧分子的X3Σg--b1Σg+和X3Σg--a1Δg三重禁戒躍遷機(jī)理，以及燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程分析的基礎(chǔ)上，建立了含有激光激勵(lì)氧分子動(dòng)力學(xué)過程的層流預(yù)混燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了包含b1Σg+、a1Δg激發(fā)態(tài)氧分子反應(yīng)的活化能。
　　在此基礎(chǔ)上，利用氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN模擬計(jì)算了762n

3、m和1268nm激光激勵(lì)氧分子到b1Σg+和a1Δg態(tài)的H2/O2和CH4/O2預(yù)混燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)在激光作用下點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯減小。反應(yīng)邊界條件為T=900K、壓強(qiáng)1atm、吸收程長103cm時(shí)，無激光時(shí)H2/O2反應(yīng)延遲時(shí)間0.05326s，762nm激光功率10kW/cm2時(shí)反應(yīng)延遲時(shí)間0.0184s，減小了65％；反應(yīng)邊界條件為T=1000K、壓強(qiáng)1atm、吸收程長103cm時(shí)，無激光時(shí)CH4/O2反應(yīng)延遲時(shí)間0.234

4、3s，762nm激光功率10kW/cm2時(shí)反應(yīng)延遲時(shí)間0.02861s，減小了87%。此外，還分析了激光功率密度、溫度、壓強(qiáng)等條件對(duì)燃燒反應(yīng)過程的影響規(guī)律。
　　設(shè)計(jì)并搭建了用于研究火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕瑴y量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊娜紵磻?yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了762nm激光激活氧分子層流預(yù)混助燃實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)行了激光激活氧分子層流預(yù)混助燃實(shí)驗(yàn)研究，利用本生燈法測量了火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?，?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光作用后火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@提高，無激光作用時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣?57.15mm/s，激光聚焦在管口、管口下、管口側(cè)面、焰尖四個(gè)不同位置火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為176.71mm/s，172.02mm/s，18