甲烷-空气混合气体放电等离子体增强点火机理分析

为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果,针对脉冲式放电,本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算,计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程,甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加,各个过程碰撞截面的变化并不单调,均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时,甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小,相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基,不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中,随着放电,振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行,在10-8s^10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子,在大多数点火温度下,可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。

空气介质阻挡放电发射光谱测量及放电过程粒子分析

发射光谱是对等离子体进行检测和诊断最常见的应用方法,提供了等离子体的化学和物理过程丰富的信息,放电过程中等离子的动力学行为的分析研究对于气体放电机理及其应用具有重要的作用。设计了一套介质阻挡空气放电光谱测量装置,测量了在实验条件下的发射光谱数据,通过发射光谱分析了介质阻挡放电等离子体的粒子演化。建立了数值计算模型,耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于介质阻挡空气放电过程中的各种粒子变化规律进行了分析,解释了发射光谱的特征。结果表明,约化场强越大,激发的粒子数的浓度越大。对于40,60与80Td的约化场强,同一时刻同种粒子数的浓度会有一到两个数量级的差距。电场的激发产生了大量的N_2(A^3),N_2(B^3)与N_2(C^3)的粒子,但是由于其能级较高,而迅速发生了转化,并且在放电的10^(-6) s后,这些粒子的产生与转化达到了平衡。相比激发态氮分子,O_2(A^1)O_2(B^1)与O_2(A^3Σ+u)的峰值浓度并不低,这些粒子的能量相对较低,跃迁产生的谱线波长较长,光谱仪并未清晰捕捉到氧分子的发射光谱。O粒子的峰值浓度较小,因此其跃迁产生的发射光谱较弱。放电过程中产生的较为稳定的O_3浓度持续增加,NO_2的浓度达到峰值后也不会下降。建立的模型计算结果可以很好地解释实验中测量得到的发射光谱数据。

活性自由基对煤油裂解气点火延迟时间的影响分析

为研究活性自由基对煤油裂解气点火延迟时间的影响,使用CHEMKIN软件,研究了激波管实验系统中不同温度下煤油裂解气的点火延迟时间,对比文献实验结果,验证了计算模型的可靠性。研究了在初始组分中加入不同浓度的活性自由基对于煤油裂解气点火延迟的影响,分析了反应式对于温度以及活性自由基的敏感性。研究结果表明,1000K时,加入0.5%的O,CH或NO活性自由基可将点火延迟时间缩短将近1/10。当初始温度升高时,活性自由基对于点火延迟时间的缩短效果越来越不明显。在2000K时,活性自由基对于点火延迟时间的影响可以忽略不计。随着初始温度的升高,2000K时,反应机理中的化学反应式对于温度敏感性以及活性自由基的敏感性下降为1000K时的1/1000以下。随着初始温度的变化,对温度及活性自由基敏感性较大的反应式也会发生非常大的变化。多个反应式在温度敏感性与活性自由基敏感性最大反应式中重复出现,这些反应式是将反应机理简化的重要依据。初始温度变化,化学反应的主要流程与路径也会发生变化。

空间碎片典型材料激光烧蚀反喷羽流实验研究

建立了观测和记录不同激光入射角度烧蚀6061铝合金靶材等离子体反喷羽流特性的实验装置，对实验结果图像进行了处理，并对处理结果进行了数值拟合。拟合结果表明，激光辐照靶材后100ns内，等离子体反喷羽流大致分布区域为靶面外5mm×5mm。激光以不同角度入射时，等离子体反喷速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布。当激光相对靶面法线方向小角度范围内入射时，激光烧蚀引起的冲量主要沿靶面法线方向，反喷羽流沿靶面法方向的速度为20～40km·s-1激光斜入射时，反喷羽流沿靶面法线方向的速度要大于激光垂直入射的情况。高斯函数可以很好地描述等离子体反喷羽流速度分布。

磁流体动力学磁控进气道流场分布数值模拟

采用磁流体控制的办法能提高超燃冲压发动机的推进性能。结合了Maxwell方程组和描述流体力学规律的Navier-Stokes方程组,并对这些方程进行了简化,建立了适用于计算磁流体动力学(MHD)超燃冲压发动机磁控进气道流场分布的数值模拟模型。研究了在特定工况下,流场特征、电势、电流以及提取功率等参数的变化。磁流体发生器能够降低管道出口马赫数和流向速度,降低出口处的总焓,但是出口处的温度有所提高。在电极上,电势保持常数,而绝缘壁面的电势较高,电场在电极端点出现周期性的极性。y方向电流在电极板附近很高,而在绝缘板上几乎为零。电流主要从正电极流向负电极,而且沿着x方向略有减小。y方向电流最大值出现在绝缘壁面上,而绝缘板上的z方向值几乎为零。z方向电流最大值出现在管道的边角处,而在绝缘壁面上几乎为零,电流在绝缘壁面的法线分量为零。

不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火

等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径。构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了甲烷自点火、持续放电以及放电后断电条件下的点火延迟时间,分析了不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的缩短效果。构建了等离子体发射光谱测量系统,测量了放电单元中的发射光谱。在实验条件下,点火温度越高,持续放电下活性粒子的浓度越高。较小的放电功率(<4 W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。稀释气体为Ar时,等离子体在点火温度小于1 000 K或大于1 400 K时对甲烷点火延迟时间缩短作用更好。稀释气体为N2时,随着点火温度的升高,等离子体对甲烷点火延迟时间作用效果随之降低。

等离子体对含硼两相流扩散燃烧特性的影响

为排除来流空气对含硼燃气的掺混效应,研究等离子体对含硼富燃料推进剂在补燃室二次燃烧过程的影响,建立了含硼两相流平行进气扩散燃烧物理模型.利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室二次燃烧的火焰图像,分析了该物理模型的扩散燃烧特性和硼颗粒的二次点火距离.采用硼颗粒的King点火模型、有限速度/涡耗散模型、颗粒轨道模型和RNG k-ε模型以及等离子体模型,模拟了一定条件下等离子体对含硼两相流扩散燃烧过程的影响.结果表明,依据含硼燃气二次燃烧图像得到的硼颗粒二次点火距离,与数值模拟结果基本一致,保证了该物理模型和计算方法的可靠性.含硼两相流经过等离子体区域后,硼颗粒在运动轨迹上颗粒温度明显增加,颗粒直径明显减小,B2O3的质量分数分布区域明显扩增,70%的硼颗粒在到达补燃室2/3尺寸前燃烧效率己达到100%,硼颗粒充分燃烧释放出更多热量导致中心流线区域温度增加近1/2,可见等离子体可以明显强化含硼两相流的燃烧过程,提高硼颗粒的燃烧效率.

基于有限元分析的激波管电晕放电单元设计及特性分析

为在激波管中研究等离子体对碳氢燃料点火延迟时间的影响，基于有限元分析方法，模拟了在激波管末端面使用同轴放电的方式对激波管壁进行放电，计算了放电过程中的电参数，相比圆柱形电极，带尖端的放电电极更容易在局部产生更高的电场强度。内径10cm的圆筒中，对于直径1cm的电极，附加100kV的电压周围最大电场强度为176kV/cm。对于顶端带尖端的电极，尖端处的最大电场强度达到了435kV/cm。而对于侧面带尖端的电极，尖端处的最大电场强度约为250kV/cm。依据仿真的结果，设计了激波管放电单元，并进行基于激波管的电晕放电实验。研究了不同内径金属圆筒中电晕放电与电弧放电的电压范围。当圆筒内径为40mm时，适合电晕放电的功率范围为3-16.7W。圆筒内径为100mm时，适合电晕放电的功率范围为1.6-50.5W。

等离子体强化点火的动力学分析

为研究等离子体强化甲烷点火的动力学机理,把等离子体强化点火过程简化为放电和点火两个阶段分别进行分析。在放电阶段,采用零维等离子体动力学模型,分析了活性粒子摩尔分数的演化规律和约化场强对粒子摩尔分数的影响;在点火阶段,采用零维均质点火模型,研究了自由基摩尔分数的演化规律以及沉积能量和约化场强对点火延迟时间的影响。结果表明,高能电子与中性粒子发生碰撞等系列反应最终生成若干自由基,完成高能电子中的能量到自由基键能的转移,O自由基的摩尔分数最大;等离子体强化点火条件下CH3的氧化路径由自点火的R155 CH3+O2=O+CH3O、R156 CH3+O2=OH+CH2O改成R10 O+CH3=CH2O+H和R284 O+CH3=H+H2+CO,自由基摩尔分数和反应速率增加约3个量级,点火延迟时间缩短约1个量级,自由基键能最终转化为内能。

等离子体中活性粒子分析及化学动力学机理

利用发射光谱测量技术分析了介质阻挡放电等离子体激励空气产生的主要活性粒子,利用零维等离子体动力学模型模拟了甲烷/空气中放电阶段主要活性粒子的演化规律,并通过敏感性与化学路径分析研究了O原子影响甲烷点火过程的化学动力学机理。研究表明:空气中介质阻挡放电等离子体主要产生N2和O2的激发态粒子,激发态粒子的数密度随着电压的增加而增大;激发态粒子经过一系列物理化学反应最终转化成若干自由基,其中O原子的摩尔分数最大;O原子缩短甲烷点火延迟时间一个量级,原因在于添加O原子后甲基(CH3)的氧化途径由自点火过程中的经O2直接氧化为CH3O和CH2O转变为经HO2和O原子氧化为CH3O和CH2O,由于后者的基元反应速率快,因而明显缩短了点火延迟时间。

NO_x对甲烷点火延迟时间影响的数值研究

点火延迟时间是超燃冲压发动机设计中的重要参数之一。为研究氮氧化物(NO_x)对甲烷点火延迟时间的影响,在GRI-Mech 3.0机理的基础上添加R326、R327、R328 3个反应,利用CHEMKIN化学动力学软件,对CH_4/O_2/NO_x/Ar混合气体的点火过程进行数值计算,并将数值计算数据与文献[6]中的实验数据进行了对比。通过对比发现添加3个反应之后,GRI-Mech 3.0机理能够较好地模拟含NO_x时甲烷的点火过程。研究结果表明:NO_2缩短甲烷点火延迟时间的程度比N2O缩短甲烷点火延迟时间的程度大;CH_4/O_2/NO_x/Ar预混气体在富氧条件下(燃气当量比为0.5)的点火延迟时间要比贫氧条件下(燃气当量比为2.0)的点火延迟时间短。

介质阻挡放电等离子体的化学动力学效应研究

为了进一步揭示等离子体强化甲烷点火过程的化学动力学机理,设计和搭建了介质阻挡放电等离子体激励空气的实验系统,实验测量了在空气中介质阻挡放电等离子体激励器产生的发射光谱,利用光谱技术分析了等离子体激励空气产生的若干活性粒子,给出了零维均质点火模型以及敏感性分析和化学路径分析的计算方法,模拟了不同初始温度下NO和O_3对甲烷点火延迟时间的影响,并分析了活性粒子NO和O_3强化甲烷点火的化学动力学过程。研究表明:介质阻挡放电等离子体激励空气主要产生N_2和O_2的若干激发态粒子,并最终转化成存活时间较长的活性粒子NO_x和O_3,等离子体对甲烷点火过程的影响可以简化成活性粒子NO_x和O_3对甲烷点火过程的影响;CH_3的氧化速率决定了甲烷点火过程的快慢,在自点火过程中CH_3的氧化路径是反应式R155和R156,初始温度较低时R155和R156的反应速率慢,所以甲烷的点火延迟时间长;NO缩短点火延迟时间是由于CH_3的氧化路径由自点火过程中的反应式R155和R156改为反应式R327 CH_3O_2+NO=CH_3O+NO_2和R328 CH_3+NO_2=CH_3O+NO;O_3强化甲烷点火过程同样是由于O_3改变CH_2的氧化路径,从化学动力学上缩短点火延迟时间。

气相硼燃烧的化学动力学分析

为研究温度和H2,CO,F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制,利用基于CHEMKIN建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理,模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化,并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明,影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M,BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢;提高初始温度,BO的氧化途径仍为R31;添加0.5%CO可以增加O自由基浓度,加快R31的反应速率;添加0.5%F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M,加快BO的氧化速率;添加0.5%H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M,R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M,加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间;在含有H2的初始组分中,气相硼燃烧的主导反应过程:B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。

异辛烷预混层流火焰结构的数值研究

为解决化石燃料燃烧带来的问题,需要对燃料的基础燃烧特性进行深入研究。为此通过数值计算研究了初始压强50~101k Pa,初始温度298~353K,当量比0.6~1.5异辛烷的预混层流火焰结构特性,分析了初始压强、初始温度、当量比对火焰厚度、反应区厚度、厚度比的影响。数值计算结果表明：火焰厚度、反应区厚度、厚度比会随着初始压强和初始温度的升高而减小,随当量比的增加先减小后增大;火焰厚度、反应区厚度、厚度比分别在当量比1.1,0.9,1.3时获得最小值;层流燃烧速度与H＋OH的最大浓度有密切关系,都随初始温度的增加而增加,随初始压强的增加而减小。通过敏感性分析,发现H主要通过R3,R24,R97,R162,R163,R179生成,通过R1,R12,R14消耗;OH主要通过R1与R14生成,通过R3,R12,R16,R29,R95,R97消耗。

基于激波管的等离子体辅助甲烷点火

在激波管实验系统的基础上,设计了等离子体放电单元,开展了等离子体对甲烷点火延迟时间影响的研究。测量了等离子体放电时的伏安特性曲线。测量了甲烷自点火延迟时间、持续放电条件下的点火延迟时间以及放电后断电下的点火延迟时间。对甲烷点火过程中的化学反应路径进行了分析。结果表明:等离子体放电电压与电流并不呈现相同的变化趋势,放电过程中气体电阻不断发生变化。很少的放电能量(小于4J)即可有效减少甲烷的点火延迟时间,在关闭电源后,放电产生的粒子依然可以在一定程度降低甲烷点火延迟时间。在低温或高温点火条件下等离子体对甲烷点火延迟时间的影响机理基本相同。点火温度较低(小于1 000K),或者较高(大于1 600K)时,持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果更加明显,可以将甲烷的点火延迟时间缩短1个数量级或1个数量级以上。等离子体对甲烷点火延迟的作用效果是点火温度与等离子体质量摩尔浓度耦合影响的结果。