反向和同向旋流滑动弧等离子体点火助燃头部的燃烧特性

非平衡态等离子体点火助燃技术是新型的燃烧调控技术.面对航空发动机燃烧室稳定燃烧的迫切需求,为发挥滑动弧等离子体技术在改善雾化、提高燃烧效率等方面的优势,搭建了航空发动机燃烧室实验平台,并开展了不同旋流方向下滑动弧放电等离子体的燃烧特性实验.实验通过采集燃烧过程OH^(*)化学发光强度图像,着重分析了不同旋流方向滑动弧等离子体对燃烧室燃烧强度、温度分布以及燃烧效率的影响.研究表明,施加等离子体助燃后,燃烧室内的平均已燃区相对强度明显提升,且反向旋流等离子体助燃的提升效果更加明显;反向旋流滑动弧助燃的径向温度分布相较于同向旋流滑动弧助燃均匀性提升,当余气系数为2.0时,反向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.3022,同向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.3223;反向旋流滑动弧助燃的燃烧效率高于同向旋流滑动弧放电的燃烧效率,当余气系数为2.0时,反向旋流等离子体助燃的燃烧效率为89.56%,同向旋流等离子体助燃的燃烧效率为83.41%.

单头部模型燃烧室滑动弧等离子体点火数值仿真研究

针对航空发动机燃烧室内滑动弧等离子体点火的特性,采用数值模拟的方法对航空发动机单头部模型燃烧室进行滑动弧等离子体点火研究,将滑动弧等离子体简化为动态热源,并将滑动弧等离子体点火与电火花点火对比,归纳2种点火方式下燃烧室点火过程中温度分布与火焰演化的规律,总结滑动弧等离子体点火的特性。计算结果表明,电火花点火和滑动弧等离子体点火2种点火方式所能达到的平均温度峰值基本相同。在滑动弧等离子体点火过程中,放电功率为200 W、空气流量为25 m^(3)/h条件下,余气系数为1时,着火延迟时间为224.6 ms;余气系数为2时,着火延迟时间为324.9 ms;余气系数为4时,着火延迟时间为878.7 ms。另外,在放电功率为200 W、余气系数为1的条件下,当空气流量为15 m^(3)/h时,着火延迟时间为194.8 ms;空气流量为35 m^(3)/h时,着火延迟时间为298.9 ms。结果表明着火延迟时间随着余气系数、空气流量的增大而增长。

滑动弧等离子体激励对旋流燃烧室节油熄火特性的影响

针对航空发动机燃烧室在快速节油条件下扩稳防熄的迫切需求,为验证等离子体助燃(PAC)技术在拓宽动态熄火边界等方面的显著优势,建立了快速节油单头部旋流燃烧实验平台,并开展了滑动弧等离子体基于快速节油条件下的熄火特性研究。实验通过采集快速节油燃烧过程中OH*化学自发光信号,分析燃烧室熄火演化过程,对比研究了不同节油速率和流量下滑动弧等离子体激励对熄火特性的影响。研究表明,在动态节油下熄火边界明显小于准稳态条件下的熄火边界,随动态节油和进气流量的增大,熄火边界变窄;施加PAC后,助燃效果显著,节油条件下的贫油熄火油气比明显降低,尤其在较大节油速率和流量下仍能维持稳定燃烧。进气流量为15 m^(3)/h、节油速率为0.09/s时边界拓宽最大,由0.064拓宽到0.052,拓宽程度达到23%。

滑动弧等离子体固氮研究进展

传统工业固氮采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺,但是需要高温高压,能耗高,污染严重。滑动弧等离子体(Gliding arc plasma,GAP)兼具热等离子体和冷等离子体的优点,能够高效地产生活性物种,显著提高能量效率,使其在固氮领域具有很大的潜在应用价值,近年来受到人们的广泛关注。然而,目前GAP固氮相关研究还比较零散,有必要对具体内容进行总结归纳。本文主要综述了近10年来国内外GAP固氮研究进展,主要包括GAP放电机制、反应器设计、工艺参数研究以及固氮反应机理研究。GAP放电存在击穿伴随滑动放电的B-G模式和持续稳定放电A-G模式,A-G模式放电有助于提高固氮效率。随着滑动弧放电技术的不断发展,GAP反应器中电极结构从传统的2D刀片结构演变到了多种3D柱形结构。通过工艺优化,GAP有助于N_(2)分子的振动激发,从而促进N_(2)分子的分裂转化。最后,对GAP固氮研究进行了展望。

二氧化钛光解与滑动弧等离子联合降解偶氮染料研究

采用气液两相滑动弧等离子和二氧化钛光降解技术联合处理酸性橙Ⅱ,研究了二氧化钛浓度、气体类型和溶液初始pH值对酸性橙Ⅱ降解率的影响。结果表明:在电压为10kV,频率为50Hz,电极间最窄距离处为3.5mm条件下,对于浓度是300mg/L的酸性橙Ⅱ溶液,二氧化钛浓度为1.0g/L,初始pH值为酸性或碱性,载体为氧气,协同效应明显,更有利于酸性橙Ⅱ降解率的提高。同时检测了纯水放电条件下,二氧化钛的加入对活性粒子H_O_2、O_3和OH·生成量的影响,酸性橙Ⅱ降解率的提高是更多活性粒子作用的结果。用红外光谱和GC-MS对降解产物测试分析,推测酸性橙Ⅱ的可能降解途径,即羟基自由基攻击酸性橙Ⅱ分子上的C-N键,导致C-N键的断裂,染料脱色矿化降解。

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。

滑动弧等离子体强化燃烧技术在航空发动机中的研究进展

滑动弧等离子体强化燃烧技术是一种新型的强化燃烧技术。从航空发动机燃烧室点熄火边界拓宽的需求出发,阐述了滑动弧强化燃烧的基本原理,分析了滑动弧等离子体通过化学效应和热效应2个方面强化燃烧的作用机制,介绍了滑动弧等离子体强化燃烧技术应用于航空发动机的潜在优势。从放电特性、数值仿真、强迫雾化和强化燃烧4个方面,分析了滑动弧强化燃烧的研究现状。针对滑动弧等离子体强化航空发动机燃烧技术的技术特点,给出了3种自由轨道式3维旋转滑动弧强化燃烧方案和1种固定轨道式滑动弧强化燃烧方案。以燃油喷嘴和文氏管放电方案为例,给出了旋转滑动弧强化燃烧的试验验证结果。对滑动弧等离子体强化燃烧技术在航空发动机上的实际应用进行了总结和展望。

焙烧温度对滑动弧等离子体制备纳米TiO_2光催化剂的影响

采用滑动弧等离子体制备出不同颗粒形貌和锐钛矿相初始含量(fA)的纳米Ti O2粉体。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和物理吸附仪对焙烧前后的样品进行表征,考察了焙烧温度对纳米Ti O2的晶相组成、晶体粒径、比表面积(SBET)和颗粒形貌的影响。通过光催化氧化亚甲基蓝反应评价样品焙烧后的光催化活性。结果表明,滑动弧等离子体制备的纳米Ti O2的锐钛矿相向金红石相转变温度约为650℃,锐钛矿相向金红石相的转变速率取决于焙烧温度、颗粒形貌和锐钛矿相初始含量。随焙烧温度升高,球形颗粒的锐钛矿晶体粒径略微增大,SBET缓慢减小;非球形颗粒的锐钛矿晶体粒径快速增大,SBET迅速减小。随着fA的增加,纳米Ti O2粉体的光催化表观反应速率常数(k)呈现三种不同的变化趋势:当fA<70%时,k随之缓慢增加;当70%<fA<85%时,k随之快速增加;当fA>85%时,k转为快速降低。

滑动弧等离子体辅助超声速燃烧实验研究

将滑动弧等离子体运用在Ma=2.92的乙烯燃料超声速燃烧室中,运用40 k Hz CH*自发辐射,电流电压探针和压力传感器进行诊断。针对不同当量比研究了滑动弧等离子体对超声速火焰的燃烧增强效果,并观测到滑动弧等离子体的稳焰现象。结果表明,超声速燃烧中滑动弧等离子体有助燃作用,在当量比为0.12和0.16时助燃效果更明显,而对于贫燃工况助燃效果不明显。在全局当量比为0.16时,施加滑动弧等离子体后壁面压力平均提升12%,时均火焰面积提升27%。原因是等离子体和凹腔结合作用,强化了凹腔给主流火焰提供热量和自由基的作用。同时,再点火生成的初始火核能够传播至凹腔驻留区,在燃烧不稳定工况下有助于超声速火焰的稳定。

滑动弧等离子体强化甲烷/空气扩散火焰燃烧研究

为评估滑动弧等离子体对甲烷/空气正扩散火焰的点火助燃效果,采用定常和非定常两种放电模式,保持甲烷流量不变,对不同空气流量、占空比下的甲烷/空气正扩散火焰进行实验测量。实验结果表明:滑动弧等离子体可以增大甲烷/空气正扩散火焰的点火极限,能够点燃熄灭火焰,并使火焰稳定燃烧;在两种放电模式下,将空气流量从5L/min增加到9L/min,火焰高度降低,CH基的生成增加;在非定常模式下,将交流电源放电占空比从10%增加到90%,火焰高度和CH基生成均会增加。

滑动弧等离子体点火助燃头部激励对燃烧室点熄火特性的影响

基于旋转滑动弧等离子体技术,研制了与某型航空发动机适配的点火助燃头部,并在三头部燃烧室实验平台的基础上开展了点熄火特性实验研究,通过分析旋转滑动弧等离子体点火助燃头部激励对燃烧室着火过程、点火边界以及熄火边界的影响规律,初步验证了该技术拓展燃烧室点熄火性能的可行性。结果表明:旋转滑动弧等离子体激励可以显著拓宽点熄火边界,缩短着火延迟时间。相比于常规点火器,在余气系数为2,输入电压为200 V时,着火延迟时间缩短49.2%;输入电压为200 V时,贫油点火边界拓宽18.2%;输入电压为240 V时,熄火边界拓宽7.41%。

高气压下三维旋转滑动弧放电光谱特性分析

为探究气体压力对滑动弧放电稳定性的影响规律,在高气压放电实验平台上,开展了滑动弧放电光谱特性研究。利用发射光谱法对滑动弧放电过程中的激发态物质进行诊断,并对不同气体压力条件下滑动弧放电的电子密度、振动温度、转动温度进行了计算。在滑动弧放电发射光谱中观测到氮气第二正带系N_(2)(C^(3)Π_(u)→B^(3)Π_(g))和氮气第一负带系N^(+)_(2)(B^(2)Σ^(+)_(u)→X^(2)Σ^(+)_(g))的发射谱线,随着气体压力升高,氮气第二正带系谱线发射强度增强,氮气第一负带系的发射强度变化幅度较小。当气体压力超过0.26 MPa之后,在滑动弧放电发射光谱中发现了氮气Gaydon s Green带系507.4 nm的发射谱线,其发射强度为3508.49 arb,随气体压力升高其谱线发射强度无明显变化。利用Stark展宽法对滑动弧放电过程中的电子密度进行了计算,得到电子密度在1023量级,并且随着气体压力的增加,滑动弧放电的电子密度呈线性增加。针对氮气分子第二正带系的5条谱线,采用玻尔兹曼图解法对滑动弧放电的振动温度进行计算,振动温度随气体压力的变化并非单调变化,在0.3 MPa之前振动温度变化幅度较小,气体压力超过0.3 MPa之后振动温度迅速增加。对氮气分子第一负带系390~391.6 nm处的发射谱线进行拟合计算滑动弧放电的转动温度,结果表明在0.24 MPa之前转动温度随气体压力升高变化幅度较大,气体压力超过0.24 MPa之后转动温度增长幅度变小。

大气压直流滑动弧等离子体工作特性研究

对大气压直流滑动弧等离子体的电参数和发射光谱进行了测量,比较研究了不同气体种类下滑动弧等离子体电压的特性.以氮气滑动弧为例,分析了其在一个周期内电弧电压、电流、电阻和功率的变化特性.通过对电弧电压信号进行快速傅里叶变换频谱分析,研究了气体种类、气体流量和外部电阻值对滑动弧等离子体脉动特性的影响.结果表明随着气流量或外部电阻值的增加,其主要脉动频率变高,电弧周期变小.利用光谱法检测了氮气、氧气和空气滑动弧等离子体的主要自由基种类,并研究了外部电阻值对发射光谱强度的影响和沿电极中轴线在337.1nm(N2(C3Πu→B3Πg),Δv=0)处发射光谱强度的变化.结果表明发射光谱强度随外部电阻值增加而变小,沿电极中轴线先增加后减小,在等离子体区域外急剧减小.

纳秒脉冲滑动弧放电等离子体裂解煤油实验研究

为改善极端条件下航空煤油的点火和燃烧性能,在大气压氮气环境下利用纳秒脉冲电源产生的滑动弧等离子体开展煤油裂解实验研究,得到了包含气态轻质烃和氢气等高活性小分子物质的裂解气。通过改变电源输出脉冲电压的上升沿时间和下降沿时间,得到了裂解气产量(Qgas)、碳氢比(R)以及裂解气中主要组分选择性(S)的变化规律,并总结了相关的部分反应路径。实验结果如下:裂解气产量随着上升沿时间的延长而减小,随着下降沿时间的延长而上升,裂解气碳氢比则呈现相反的变化规律;裂解气主要组分中,乙烷选择性最高,在各实验工况下均超过30%;随着上升沿时间和下降沿时间的延长,裂解气中丙烷和丙烯的选择性均降低,氢气的选择性上升;上升沿时间和下降沿时间的变化影响裂解效果的主要原因是改变了反应的路径。实验结果表明,纳秒脉冲滑动弧放电等离子体可以将煤油中的部分大分子烃类转化为气态轻烃和氢气等高活性组分。同时,增加纳秒脉冲电压下降沿时间能够改善滑动弧等离子体的裂解效果,获得更多高活性的小分子物质。

暖等离子体合成过渡金属掺杂氧化锰析氧电催化剂

可再生能源发电与质子交换膜水电解结合产生“绿色氢”对能源安全具有战略意义,其速控步骤是析氧反应。从稳定性、活性和成本角度考虑,本研究采用滑动弧暖等离子体一步合成了氧化锰(MnO_(x))及过渡金属掺杂(Fe-MnO_(x),Co-MnO_(x),Ni-MnO_(x)的析氧电催化剂,并对其晶体结构、形貌尺寸、元素组成和表面价态进行了表征。氧化锰主要由晶相Mn_(2)O_(3)和无定形Mn_(3)O_(4)组成。与之相比,掺杂的氧化锰尽管晶相组成基本不变,但其粒径明显变小、比表面积增大;掺杂Co促使氧化锰的表面电子增多。氧化锰基催化剂在酸性电解液的循环伏安测试中表现出独特的电流阶跃现象(低电势Ⅰ-Ⅱ区:1.4~1.8~2.4 V;高电势Ⅲ区:2.4~2.7 V)。该电流阶跃过程与Bulter-Volmer简化方程的电极动力学参照曲线相吻合,属于多价态锰参与的电催化反应。低电势区Fe-MnO_(x)的电化学活性最优,而高电势区Co-MnO_(x)表现最优。Co-MnO_(x)的起始电位比MnO_(x)低160 mV,且在恒电位电解中其末端电流密度是MnO_(x)的3倍。与其活性趋势一致,Fe-MnO_(x)、Co-MnO_(x)分别在低电势区、高电势区更具稳定性。本研究通过掺杂过渡金属优化氧化锰的颗粒尺寸、比表面积和电子结构,显著提高了催化剂析氧反应活性及稳定性。

高压滑动弧放电等离子体降解酸性橙Ⅱ的研究

保持酸性橙Ⅱ初始浓度为180μm，体积为400mL，气速和液速分别保持在0．8m^3·h^-1和20mL·min^-1，依次加入2．5，5，7．5，10支（每支重量为1．35-1．50g）铁丝，分析不同数量的铁丝对高压滑动弧放电降解酸性橙Ⅱ过程的影响。结果表明：7．5支铁丝可以很好地提高酸性橙Ⅱ的降解率和反应速率常数。保持酸性橙Ⅱ初始体积为400mL，气速和液速分别保持在0．8m^3·h^-1，20mL·min^-1，依次改变酸性橙Ⅱ浓度为540，720，900μm，分别考察加Fe（7．5支铁丝）和不加Fe两种情况对高压滑动弧放电降解酸性橙Ⅱ过程的影响，结果表明：在高压滑动弧放电等离子体降解酸性橙Ⅱ的过程中，Fe的加入可以引发芬顿反应，使酸性橙Ⅱ的降解率提高2．86％～3．25％，反应速率常数提高10．34％～14．37％。

滑动弧放电等离子体对枯草芽孢杆菌的灭菌机理

滑动弧放电是在大气环境下产生的一种等离子体形式,放电产生的活性粒子对环境中存在的各种食源性有害微生物具有较好的抑菌效果。以枯草芽孢杆菌为处理对象,研究了放电处理时间对枯草芽孢杆菌的杀菌效果,并通过表面形貌、电导率和共聚焦显微镜等测试方法揭示滑动弧放电等离子体的失活机制。结果表明,氮气放电等离子体具有较好的杀菌效果,主要抑菌机理是对细菌的细胞膜造成破坏,导致细胞坏死。

高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验研究

本文针对恶劣条件下滑动弧等离子体放电稳定性问题,搭建了高气压交流旋转滑动弧放电实验系统,开展了高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验,并对其放电特性、电弧运动特性、光谱特性进行了分析.研究结果表明:随着介质气体压力的升高,滑动弧放电的电压、电流、能量均呈现增大趋势,当介质气体压力升高到0.52 MPa时,滑动弧放电的能量从常压下的84.74 J增大到147.13 J;且随着介质气体压力的升高,电弧的击穿频率并不是单调变化,而是在0.2 MPa时达到最大为26.55 kHz;高气压下电弧运动过程中会出现“弧道骤变”现象;随着介质气体压力的升高,滑动弧放电的整体光谱发射强度呈现变强趋势;通过两谱线法对滑动弧放电的电子激发温度进行了计算,常压下滑动弧放电的电子激发温度为0.8153 eV,随着介质气体压力的升高,电子激发温度呈现升高趋势,当介质气体压力达到0.4 MPa时,滑动弧放电的电子激发温度升高至5.3165 eV.

氧化石墨烯/二氧化硅纳米复合材料的等离子体法制备及其结构研究

本文通过大气压滑动弧等离子体高效修饰改性了氧化石墨烯(GO),制备GO/SiO_2纳米复合材料。GO/SiO_2的整体形态及SiO_2沉积物中的颗粒粒径与分布可分别通过反应物中正硅酸乙酯(TEOS)的使用量以及等离子体放电功率进行控制。于0.03mg TEOS/1mg GO,输入电压为290v的条件下,制备得到了SiO_2颗粒(约119nm)呈阵列规整排布于GO表面的GO/SiO_2样品。由于该处理方法具有连续处理的特点,所以在纳米粒子改性效率上相对于传统表面化学改性有很大的提高。除了本文提到的GO粒子以及TEOS前驱体,该方法也适用于其他纳米粒子,且能在其表面实现包括有机、无机等多种表面修饰结构的制备。

等离子体点火器放电研究

通过放电实验,研究工质气体在不同流量下对稳定滑动模式下的滑动弧滑动阶段、放电功率和滑动特性的影响。结果表明:稳定滑动模式下的滑动弧周期性放电存在3个放电阶段,即击穿滑动阶段(B-S)、稳定滑动阶段(S-S)和不稳定滑动阶段(U-S);工质气体流量增加时,B-S阶段时间增加,S-S和U-S阶段时间减小;滑动弧放电功率与放电阶段、电弧长度有关,当处于B-S阶段时,放电功率与电弧长度成反比,当处于S-S和U-S阶段时,放电功率与弧长成正比;滑动弧最大滑动高度、最大弧长和滑动时间会随着流量的增加而减小,滑动速率会随着流量的增加而增加。