旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究

等离子体助燃技术被认为是非常有前景的燃烧调控技术,具备显著增强极端条件下的点火和火焰稳定燃烧性能的潜力.滑动弧放电等离子体具有能量强、电弧作用范围广以及适用于高压等优点,文章实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流甲烷/空气火焰的影响规律.研究了等离子体的特性,包括电学特性、运动特性、光学特性以及温升效应.利用OH-PLIF得到了旋流火焰结构以及火焰结构转变过程,并且研究了等离子体对稀燃吹熄极限的拓展作用.最后利用气体排放仪测量了燃烧室出口处旋流火焰污染物NO_(x)排放.结果表明旋转滑动弧放电能够产生大量的活性自由基,可以增强燃烧中的化学链式反应,另外整体热效应比较弱,主要体现为局部加热作用,放电特性与空气流量和施加电压密切相关.旋转滑动弧能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限,这主要是因为旋转滑动弧放电可以作为点火源和火焰稳定器,能够点燃混合气并且形成外回流区火焰,使得火焰根部更加稳定.对于旋转滑动弧放电等离子体对旋流火焰污染物排放的影响,研究发现等离子体放电能够增加NO_(x)排放,NO的形成来源于等离子体放电,燃料的加入使得NO的含量低于空气中放电时NO的含量.旋转滑动弧放电导致NO的排放最少增加65%,且NO的排放随着当量比降低而降低.

三头部燃烧室旋转滑动弧点火实验研究

基于燃烧室常用的斜切孔+径向叶片式涡流器,设计并加工了旋转滑动弧涡流器。放电试验表明,旋转滑动弧涡流器可在预定位置产生稳定的旋转滑动弧。在三头部燃烧室试验件上开展了旋转滑动弧点火试验。结果表明,在地面常温、地面低温及3.0km空中环境,相比常规点火,点火油气比下降超过20%;在4.5km空中及5.5km空中环境,点火油气比高于常规点火。低温低压条件下旋转滑动弧放电能量大幅减小。相比环境温度的降低,环境压力的下降对旋转滑动弧的工作影响更大。采用旋转滑动弧点火后,燃烧室的着火时间、联焰时间及点火时间均有缩短。其中,着火时间缩短最为明显,缩短幅度超过60%。联焰时间及点火时间的缩短主要得益于第一阶段着火时间的大幅缩短。

交流旋转滑动弧的放电特性

为研究交流旋转滑动弧的滑动模式、伏安特性和发光强度,对大气压交流驱动下的旋转滑动弧放电进行了电信号测量与图像采集。研究结果表明：旋转滑动弧在整个放电的过程中存在两种滑动模式,分别为击穿伴随滑动（B-G）模式和稳定滑动（A-G）模式,B-G模式的电流峰值在1～40 A之间变化,为安培量级,A-G模式的电流峰值在-900～900 mA之间变化,为毫安量级,并且电弧的滑动模式受电压与气流量的影响;交流旋转滑动弧放电过程中电弧从产生到熄灭满足交流电弧零休、燃弧、熄弧的整个物理过程,采用分段拟合的数学方法对伏安特性曲线进行描述,发现在放电的正半周期,电弧的零休阶段U与I满足阶跃函数特征;电弧稳定燃烧阶段中,电弧电流增加的过程U与I满足反比例函数特征;电弧电流减小的过程U与I满足一次函数特征。放电的负半周期U与I满足的数学函数特征与正半周期类似,但伏安特性曲线关于原点并不对称;电弧发光强度分布不均匀,最强的区域始终位于阴极电弧根部。

旋转滑动弧氩等离子体裂解甲烷制氢

采用切向气流和磁场协同驱动的旋转滑动弧氩等离子体,先通过光谱分析法计算了其电子温度和电子密度,了解其物理特性,将其应用于甲烷裂解制氢,研究了进气流量和CH_4/Ar比对反应效果的影响。结果表明,该滑动弧系统电子温度为1.0-2.0 e V,电子密度高达1015cm^(-3),是介于热与低温等离子体之间的一种等离子体形式,具有独特的物理特性,可以在达到较高反应效率的同时,保持较大的处理量;在CH_4裂解制氢实验中,CH_4转化率可达22.1%-70.2%,并随进气流量和CH_4/Ar比的增大均逐渐降低;H_2选择性为21.2%-61.2%,并随进气流量的增大先基本不变后有所增大,随CH_4/Ar比的增大逐渐降低;与应用于甲烷裂解的不同形式的低温等离子体对比(如微波、射频、介质阻挡放电等)可以发现,旋转滑动弧在获得较高甲烷转化率、较高H_2选择性和较低制氢能耗的同时,还可以保持较大的处理量,即进气流量可达6-20 L/min。

大气压交流旋转滑动弧的放电特性

为研究气体流量和施加电压对旋转滑动弧放电的电信号与电弧运动规律的影响,采用3种不同几何结构的电极分别进行了大气压交流旋转滑动弧放电实验,并记录了其电信号和放电图像。结果表明:滑动弧放电过程中存在2种滑动放电模式,即稳定滑动放电(A-G)和伴随击穿滑动放电(B-G),2者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受气体体积流量、施加电压等因素的影响;流场环境和施加的电压对电弧形态及发展过程影响显著,随着气体体积流量的增大,滑动弧放电由A-G模式向B-G模式发展;对于E-1型电极,当气体体积流量较大时(77 L/min),电弧滑动周期较小(9 ms),且出口截面电弧旋转速度较大(11 m/s);随着施加电压幅值的增大,电弧滑动放电模式由B-G模式向A-G模式发展,且出口截面电弧旋转速度增大。实验结果对于揭示大气压交流滑动弧放电机理具有参考价值。

三维旋转滑动弧等离子体助燃激励器的光谱特性实验

为研究不同射流流量和放电电压下三维旋转滑动弧等离子体助燃激励器的光谱特性规律,对3种不同几何结构的电极,在大气压下进行了交流滑动弧放电等离子体的光谱信号测量。结果表明:当流量和电压越大时,三维旋转滑动弧放电等离子体的振动温度越高,即振动激发强度越强。同时,比较A、B、C 3种滑动弧放电等离子体电极结构的光谱特性后发现,A型电极在滑动弧放电过程中产生的等离子体的振动温度最高,最有利于激发产生等离子体。综合考虑以上几种因素发现,流量对振动温度的影响最为明显,流量越大,OH、O2和O等粒子的相对发射强度也越强。例如,在U0=120V下,当Q=40g/min时O的平均相对发射强度约为1 800a.u.unit,当流量增大到Q=100g/min时,O的平均相对发射强度为2 800a.u.unit。

旋转滑动弧促进甲烷干重整制取合成气

实验考察了常温常压下,利用旋转滑动弧等离子体促进CH4-CO2重整制取合成气的效果,分析了放电电压、CH4体积分数和供气流量等参数对反应物转化率、产物选择性和经济效益等的影响.实验发现,CH4体积分数增加,会使CH4转化率升高,CO2转化率先增后减.流量增加,会使CH4、CO2转化率整体呈下降趋势.流量为12,L/min时,CH4、CO2最高转化率分别为43.78%、42.66%,H2、CO最高选择性分别为44.20%、32.48%,H2/CO体积比范围为0-1.56.单位摩尔量合成气所需电耗最低为195.06,kJ/mol,能量转化效率最高为46.535%.

旋转滑动弧等离子体重整制氢研究进展

近年来,等离子体制氢技术因系统启停迅速、可处理燃料种类多等优势得到研究者的广泛关注。旋转滑动弧等离子体为非热平衡等离子体,兼具热等离子体和冷等离子体特点,是等离子体重整燃料制氢领域的研究热点。文中简要介绍了旋转滑动弧等离子体重整制氢原理及其性能评价指标,主要对近5年来旋转滑动弧等离子体重整乙醇、甲醇及甲烷制氢的反应物转化率、氢气选择性以及能量效率的研究进展进行总结、分析与展望。基于当前研究现状,针对能量效率优化和氢气选择性改善提出了几点建议,认为优化电源设计、提高旋转滑动弧等离子体反应器与等离子体电源的阻抗匹配度以及旋转滑动弧等离子体重整制氢机理分析两方面还有大量研究工作待完成。研究表明,旋转滑动弧等离子体耦合催化床反应器使反应物转化率及氢气选择性均得到提升,是推动等离子体制氢技术发展的一个重要研究方向。

大气压交流旋转滑动弧放电及其应用于促进甲烷干重整

旋转滑动弧放电等离子体具有较高的能量密度和良好的化学选择性,在甲烷干重整方面有良好的应用前景。实验分析了大气压切向气流驱动的交流旋转滑动弧放电特性,并进行了甲烷干重整研究。交流旋转滑动弧放电过程中根据电流信号特征的不同分为击穿伴随滑动(B-G)模式和稳定滑动(A-G)模式;对电信号进行快速傅立叶变换(FFT)发现B-G模式下电流电压波形失真严重,且功率小于A-G模式;随着电弧的稳定滑动,电压升高,滑动弧消耗的功率持续增大。在甲烷干重整实验中,重整效果受到CH4含量、放电电压以及气体体积流量的影响;当CH4体积分数提高到40%时,甲烷干重整效果的能量效率达到3.58 mmol/kJ;增大电压可以提高反应物转化率,但能量效率有所下降;提高气体体积流量会降低反应物的停留时间,抑制甲烷干重整的效果。

旋转滑动弧等离子体固氮的物理特性

采用旋转滑动弧等离子体(RGA)进行固氮实验研究.为了考察在N_(2)/O_(2)气氛下放电的物理特性,利用光谱仪、高速摄影仪、示波器等进行研究,考察放电参数、气体体积流量对于氮气的振动温度、氮气的转动温度和电弧特性的影响,以及以上因素对于RGA固氮效果的综合影响.实验结果表明,放电过程可以生产大量NO_(x)气体,通过光谱检测可以清晰观测到NO的γ带系、氮气第二正带系和氮气离子第一负带系.增加放电的氧气体积分数,氮气的振动温度将升高,并伴随着固氮产出的提高;在一定范围内(10%~40%),氧气体积分数提升在提升固氮效果的同时,对放电稳定性有不利影响.综合分析表明,接近空气的放电气氛(氧气体积分数为20%)或直接采用空气放电,能够实现旋转滑动弧等离子体放电固氮的最佳效果.

旋转滑动弧降解垃圾气化焦油组分中的萘

采用新型磁场和气流协同驱动旋转滑动弧等离子体,选取萘作为垃圾气化焦油模拟组分,在氮气气氛下开展了焦油裂解初步实验研究。重点考察了进样浓度、进气流量和预热温度对萘裂解效果及气体产物的影响;此外,采用气相色谱质谱联用仪(GC/MS)对液体副产物进行了表征。结果表明,当进气流量恒定时,随着进样浓度的提高,萘的降解率先升后降,在萘浓度为6mg/L时降解率达到最大值88.3%;随着进气流量从2L/min增加到12L/min,萘的降解率持续下降,由92.1%降至82.5%;提高预热温度可促进萘的降解。实验产生的主要气体产物为H_2和C_2H_2,其选择性与萘的降解率变化趋势基本一致,最高分别为44.0%和13.7%;液体副产物主要有苯乙炔、茚、苊烯等,其GC/MS峰面积比萘低2~3个数量级;在此基础上,对滑动弧反应区域中萘的降解路径及机理进行了初步探讨与分析。

旋转滑动弧放电等离子体滑动放电模式的实验研究

交流旋转滑动弧放电能够在大气压下产生大面积、高活性的非平衡等离子体.为了研究交流旋转滑动弧的滑动放电模式、放电特性及光谱特性,本文采用高速相机与示波器同步采集旋转滑动弧的放电图像和电信号,采用光谱仪采集光谱信号,分析旋转滑动弧运动过程中电弧的动态行为、电信号及光谱信号特征.实验结果表明,旋转滑动弧放电过程中存在两种不同的滑动放电模式,即伴随击穿滑动放电模式(B-G模式)与稳定滑动放电模式(A-G模式).其中B-G模式以电弧旋转滑动过程中伴随击穿-熄灭-击穿的高频击穿现象为主要特征,而A-G模式以持续稳定的连续电弧滑动为主要特征.本文讨论了工作参数影响滑动弧放电模式、放电特性及光谱特性的工作机制.研究发现,电弧的放电模式和放电特性是激励电压与气体流量共同作用的结果.当气体流量较大、激励电压较小时,滑动弧为B-G模式主导的高频击穿不稳定放电;而当激励电压较大、气体流量较小时,滑动弧则为A-G模式为主导的稳定滑动放电.

旋转滑动弧涡流器点火探索试验

基于中小发燃烧室常用的斜切孔+径向叶片式涡流器,结合滑动弧的产生位置,开展了4种方案的旋转滑动弧涡流器设计及加工,并完成了冷态放电试验及点火试验验证。放电试验结果表明:4种方案的涡流器均能在预设位置产生稳定的旋转滑动弧。三头部点火试验结果表明:方案4的点火效果最好,其最小点火油气比低于常规点火方法。方案2次之,方案3仅能在较低的参考速度下实现燃烧室的点火,方案1的点火效果最差。滑动弧当地的气流速度及油气分布对点火效果影响显著,建议滑动弧处的气流速度不超过20 m/s。

氮气气氛下旋转滑动弧重整甲烷制氢实验研究

本文采用切向气流和磁场协同驱动的旋转滑动弧低温等离子体,以氮气为载气,进行了甲烷重整制氢的研究。考察了进气流量,CH_4/N_2比和外加电阻对制氢效果的影响,结果表明,随着进气流量的增加,甲烷转化率逐渐降低;随着CH_4/N_2比的增大,外加电阻为40 kΩ时,甲烷转化率逐渐降低,最大可达87.49%,而外加电阻为70 kΩ时,甲烷转化率却先降低后增大;减小外加电阻有利于增加甲烷转化率和氢气选择性,但会造成能耗的增加。

旋转滑动弧放电等离子体对氨气旋流火焰稳定性的影响

本文实验研究了三维旋转滑动弧(RGA)放电等离子体对氨气旋流火焰稳定性的影响。实验表征了等离子体特征,测试了等离子体对氨气旋流火焰的助燃效果,研究了火焰形态特征的转变和OH自由基分布,揭示等离子体对氨气旋流火焰的助燃机理。结果表明,RGA放电等离子体可以作为点火源和火焰稳定器,能够提高火焰稳定性和拓展吹熄极限。另外较高流速下,火焰迟滞现象消失,在低流速下氨气火焰容易受到电场/等离子体的流体动力学不稳定性的影响。

磁旋滑动弧促进甲烷部分氧化重整制氢

与传统的甲烷催化制氢技术相比,低温等离子体技术具有能耗低、无需催化剂、启停迅速、可在常温常压下运行等优点,具有良好的应用前景。为此,研究了空气载气下磁旋滑动弧放电等离子体的物理特性,并开展了甲烷部分氧化重整制氢实验。结果表明:空气体积流量分别为2 L/min、8 L/min、16 L/min时,电弧均可稳定旋转,转速最高为111 r/s,且存在固定的放电周期;而与传统刀片滑动弧不同的是,磁旋滑动弧在2 L/min的体积流量下依然可以维持稳定的运行和较长的电弧长度,从而有利于反应的充分进行;电弧长度和直径对放电电压、电流、功率、电流密度、电场强度和电导率等参数有直接影响。在甲烷部分氧化重整制氢实验中,CH_4的转化率和H_2的选择性均随过量空气系数的增加而先升后降,CH_4的转化率最高可达100%,H_2的选择性最高为42.42%,效果远好于传统的刀片式滑动弧。此外,微富氧的环境有利于甲烷的完全转化。研究结果证明磁旋滑动弧能够促进甲烷部分氧化重整制氢。

环境压力对滑动弧放电等离子体助燃激励器特性的影响研究

在航空发动机上运用等离子体助燃技术能够有效减少燃烧化学反应所需的活化能,提高燃烧效率。为了将该项技术真正应用到航空发动机燃烧室,搭建了三维旋转滑动弧放电等离子体助燃激励器放电特性的实验平台,采用实验与理论分析相结合的方法,探索环境压力对三维旋转滑动弧放电等离子体助燃激励器特性的影响。结果表明,在三维旋转滑动弧放电过程中,电弧在击穿伴随滑动模式(B-GI)和稳定电弧滑动模式(A-G)之间还存在一种过渡模式(B-GII),同时具有以上两种模式特征。环境压力对电弧滑动模式影响显著,当压力小于1bar(1bar=0.1MPa)时,电弧滑动模式随气压升高逐渐从B-GI模式发展为A-G模式。与此同时,随着环境压力的增大,电弧击穿电压和峰—峰值电压也随之增大,但由于放电过程中的电弧滑动模式转换,击穿电压在0.5~0.7bar范围附近会有小幅度的减小。

燃烧室头部激励的等离子体强化燃烧特性实验研究

等离子体助燃是一种新型的强化燃烧技术。因此本文创新性地研制了基于旋转滑动弧等离子体的强化燃烧头部,建立了航空发动机三头部燃烧室实验件的等离子体助燃实验平台,验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性。实验研究等离子体助燃在不同余气系数和不同输入电压条件下对平均出口温度、燃烧效率、温度分布系数以及熄火边界的影响。实验结果表明,与正常燃烧相比,施加等离子体助燃后的燃烧效率有明显的提高,在输入电压U_(0)=240V,余气系数α=0.8的工况下,等离子体助燃的燃烧效率提高3.24%。实施等离子体助燃后,燃烧室出口温度分布场分布得到明显的改善,在α=0.8的富油工况下,出口温度分布系数减少39.8%。等离子体助燃输入电压越高,熄火边界扩展程度越明显,相比于正常工况条件下,施加等离子体助燃后,输入电压为240V时的熄火边界扩宽了7.34%。

基于等离子体的新型燃烧室头部工作特性实验研究

目前战斗机和无人机的航空发动机均面临着高空点火性能不足的困难,急需解决该问题以提高发动机性能。设计了一种基于三维旋转滑动弧的航空发动机新型燃烧室头部,该头部可以在保持原有燃烧室结构不变的基础上,实现对燃烧室的点火和助燃。进行了新型燃烧室头部的放电特性实验,分析了稳定电弧滑动(A-G)模式和击穿伴随滑动(B-G)模式两种放电模式的特点。探究了两种放电模式对振动温度的影响,以及空气流量和电压对OH,O2,O3,NO四种粒子光谱发射强度的影响。结果表明,B-G模式电弧的放电功率更大,达到84W,放电模式对振动温度的影响取决于空气流量和电压的变化,而光谱发射强度则是A-G模式大于B-G模式。