甲烷/空气混合燃气激光诱导等离子体点火研究

【摘要】：激光诱导等离子体点火（laser induced plasma ignition，LIPI）是实现贫燃燃烧系统和火箭发动机系统稳定可靠点火的一种新型点火技术，具有点火位置方便可控、点火工况适应性好、便于多点点火等优点。本文针对现有的LIPI间接点火机理模型有待完善、扩散燃气LIPI特性参数缺乏、LIPI最小点火激光脉冲能量（minimum laser pulse energy，MPE）较大从而制约其工程应用等问题，开展了甲烷/空气混合燃气LIPI特性和机理研究。 本文首先介绍了LIPI的研究现状，分析了LIPI特性和机理研究存在的问题和不足，给出了本文的主要研究内容；然后针对间接点火模型未考虑燃烧化学反应在LIPI过程中的作用的缺陷和影响LIPI最终结果（点火成功或失败）的关键因素尚不明确的研究现状，综合考虑激光诱导等离子体（laser induced plasma，LIP）产生的热效应和燃烧化学反应，基于Taylor爆炸波理论和气相化学动力学软件CHEMKIN，开展了甲烷/空气预混燃气LIPI燃烧化学动力学仿真研究，分析了等离子体火花能量和混合燃气当量比对LIPI初始火核中OH基团浓度的影响以及初始火核中OH基团在LIPI过程中的作用。分析表明，LIPI是LIP引起的热效应和燃烧化学反应协同作用下的一种强迫点火，在研究LIPI机理时应充分考虑燃烧化学反应尤其是OH基团发挥的重要作用。 其次，研究了氮气、氧气、空气、甲烷等单元燃烧气体LIP的击穿阈值、电子温度、电子密度、转动温度等特性及其随激光脉冲能量和气压的变化规律，为甲烷/空气混合燃气LIPI的流体力学仿真提供了重要的基础数据。提出了一种基于氩原子发射谱线分支比实现激光诱导击穿光谱（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）系统相对光谱响应度标定的方法，实现了221-617nm光谱范围内相对光谱响应度的标定，标定结果的不确定度为~11%；采用玻尔兹曼绘图法和离子谱线的斯塔克加宽获得了氮气、氧气、空气LIP的电子温度和电子密度；采用凹面反射镜法检验和校正了甲烷LIP对Hα谱线的自吸收，并基于Hα谱线的斯塔克加宽获得了甲烷LIP的电子密度；以转动温度为参量对C2基团Swan系统(0,0)谱带进行数值模拟和匹配，获得了甲烷LIP的转动温度。 再次，开展了基于LIBS的混合燃气当量比测量方法研究，以甲烷/空气层流预混火焰为标准，获得了Hα谱线和777nm附近氧原子三重态谱线强度比IHα/IOItotal与当量比的标定关系以及激光脉冲能量、探测点位置、混合燃气流速等参量对标定关系的影响，实现了甲烷/空气预混火焰和甲烷扩散火焰局部当量比的测量，为LIPI机理研究提供了一种测量局部当量比的技术手段。 第四，开展了甲烷/空气预混燃气LIPI特性和机理研究。特性研究方面，系统研究了最小点火能量（minimum ignition energy，MIE）、点火延迟时间、吹熄时间等特性及其随混合燃气当量比、混合燃气流速、点火点位置、等离子体火花能量等实验条件的变化规律。获得的MIE与已报道的结果吻合得很好，比电火花塞点火的MIE高一个数量级。随着等离子体火花能量的增大，点火延迟时间逐渐降低然后趋于一个常量，吹熄时间则逐渐增大然后趋于一个常量。机理研究方面，综合采用LIBS技术、荧光光谱技术和单光子计数技术，同步测量了LIPI过程中的等离子体火花能量、局部当量比和LIP形成早期（μs量级）OH基团的荧光辐射信号，采用二维参数耦合分析的方法，对上述参数与LIPI的最终结果进行关联性分析，明确了影响LIPI最终结果的关键因素是LIP形成早期LIPI初始火核中的OH基团浓度，初始火核中的燃烧化学反应决定了初始火核能否发展成为自持燃烧的火焰。结合燃烧化学动力学仿真分析、实验研究结果及已有的报道，提出了“热效应-燃烧化学反应协同点火”的LIPI新机理，发展并完善了现有的间接点火模型。在LIP的热效应和燃烧化学反应协同作用下，较高的等离子体火花能量（对应较高的剩余热气温度）和靠近化学反应恰当比的局部当量比有利于在初始火核中形成较高的OH基团浓度，促进初始火核中H、O、OH等活性基团浓度的维持和增长，提高火焰传播速度，推动初始火核中燃烧化学反应的进行和初始火核的发展，最终实现成功点火。 最后，首次开展了更接近实用的甲烷/富氧空气同轴喷注扩散燃气LIPI特性研究。MIE和点火延迟时间在扩散区域表现出显著的空间分布，分别为~8-18mJ和~140-2800μs。利用计算流体力学软件FLUENT分析获得了局部当量比的空间分布，表明LIPI特性的空间分布与点火点的局部当量比密切相关。同时，为了降低LIPI的MPE，提出了甲烷/富氧空气预混燃气激光烧蚀钽靶等离子体点火的技术方案。对于氧浓度30%、流速282cm/s、当量比0.8-1.6的甲烷/富氧空气预混燃气，激光烧蚀钽靶等离子体点火的MPE为2-5mJ，相比直接击穿气体点火下降了74%以上，对LIPI的工程应用具有重要意义；点火延迟时间随着当量比的增大而降低，当当量比大于1.3时趋于一个常量~50μs。 本文的研究成果对于完善LIPI机理模型、指导LIPI系统的设计和优化、促进LIPI的工程应用具有重要的科学意义和应用价值。 【关键词】：激光诱导等离子体点火 甲烷/空气混合燃气 点火机理 点火延迟时间 最小点火能量
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ038.4;TN249
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-32
• 1.1 课题背景15-18
• 1.2 激光诱导等离子体点火物理过程简析18-21
• 1.2.1 激光诱导等离子体的形成18-19
• 1.2.2 冲击波的传播和剩余热气的产生19-20
• 1.2.3 初始火核向自持火焰的发展20-21
• 1.3 激光诱导等离子体点火的研究现状21-29
• 1.3.1 点火特性研究21-23
• 1.3.2 工程应用研究23-25
• 1.3.3 点火机理研究25-28
• 1.3.4 研究现状分析28-29
• 1.4 本文的主要研究内容29-32
• 第2章 甲烷/空气预混燃气LIPI燃烧化学动力学仿真研究32-45
• 2.1 引言32
• 2.2 燃烧化学基本理论32-35
• 2.2.1 燃烧链式反应32-33
• 2.2.2 甲烷的氧化机理33-35
• 2.2.3 经典点火理论35
• 2.3 LIPI燃烧化学动力学仿真分析35-43
• 2.3.1 等离子体火花能量对剩余热气温度的影响35-37
• 2.3.2 等离子体火花能量和当量比对初始火核OH基团浓度的影响37-41
• 2.3.3 初始火核OH基团对点火过程的影响41-43
• 2.4 本章小结43-45
• 第3章 单元燃烧气体激光诱导等离子体特性研究45-90
• 3.1 引言45
• 3.2 激光诱导等离子体特性表征的方法45-53
• 3.2.1 发射光谱法表征等离子体特性的基本假设45-46
• 3.2.2 电子温度的测量方法46-48
• 3.2.3 电子密度的测量方法48-51
• 3.2.4 自吸收检验及校正的方法51-53
• 3.3 实验系统53-61
• 3.3.1 实验系统 I53-55
• 3.3.2 实验系统II55-56
• 3.3.3 光谱采集系统光谱响应度的标定56-61
• 3.4 氮气、氧气、空气的激光诱导击穿阈值61-64
• 3.5 氮气、氧气、空气激光等离子体的电子温度和电子密度64-77
• 3.5.1 氮气激光等离子体的电子温度和电子密度64-72
• 3.5.2 氧气激光等离子体的电子温度和电子密度72-75
• 3.5.3 空气激光等离子体的电子温度和电子密度75-77
• 3.6 甲烷激光等离子体的电子密度77-81
• 3.7 甲烷激光等离子体的转动温度81-88
• 3.7.1 C_2基团Swan系统(0,0)谱带的数值模拟81-85
• 3.7.2 转动温度的时间演化特性85-88
• 3.8 本章小结88-90
• 第4章 基于LIBS的混合燃气当量比测量方法研究90-103
• 4.1 引言90-91
• 4.2 理论分析91-92
• 4.3 实验装置92-95
• 4.4 基于LIBS的混合燃气当量比测量系统的标定95-100
• 4.4.1 甲烷/空气层流预混火焰的LIBS光谱95-96
• 4.4.2 激光脉冲能量对标定关系的影响96-98
• 4.4.3 探测点位置对标定关系的影响98-100
• 4.4.4 混合燃气流速对标定关系的影响100
• 4.5 甲烷/空气火焰局部当量比的测量100-102
• 4.6 本章小结102-103
• 第5章 甲烷/空气预混燃气LIPI特性和机理研究103-128
• 5.1 引言103-104
• 5.2 实验装置104-108
• 5.3 最小点火能量研究108-111
• 5.3.1 点火点位置的影响109-110
• 5.3.2 混合燃气流速的影响110-111
• 5.4 点火延迟时间和吹熄时间研究111-115
• 5.4.1 等离子体火花能量的影响111-112
• 5.4.2 混合燃气当量比的影响112-114
• 5.4.3 混合燃气流速的影响114-115
• 5.5 影响LIPI最终结果的关键因素研究115-123
• 5.5.1 等离子体火花能量和局部当量比对LIPI最终结果的影响115-117
• 5.5.2 激光等离子体形成早期OH基团浓度对LIPI最终结果的影响117-122
• 5.5.3 等离子体火花能量、局部当量比与OH基团浓度关联性研究122-123
• 5.6 LIPI机理研究123-126
• 5.7 本章小结126-128
• 第6章 甲烷/富氧空气扩散燃气LIPI特性研究128-142
• 6.1 引言128
• 6.2 实验装置128-131
• 6.3 最小点火能量和点火延迟时间研究131-136
• 6.4 甲烷/富氧空气预混燃气激光烧蚀等离子体点火研究136-140
• 6.5 本章小结140-142
• 结论142-144
• 参考文献144-159
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果159-162
• 致谢162-163
• 个人简历163

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