飞秒激光等离子体助燃CH4/O2/N2燃烧的实验研究和机理分析

论文摘要

近年来，随着航空航天技术的进步，发展大推力火箭和冲压发动机的需要对燃料燃烧反应速率提出了更高的要求。如果在航空发动机燃烧室中生成等离子体，将产生大量具有化学活性的粒子，改变等离子体及其相邻区域内的燃烧状态。而且高能粒子扩散形成的波扰动可增强燃气紊流度，促进燃油的雾化、气化及与空气的混合，增大火焰前锋与新鲜混合气的接触面积，以达到增强燃烧稳定性、提高燃烧效率和降低排气污染的目的。近年来，俄罗斯学者提出了一种采用激光激励反应分子至某一分子或原子激发态，能够降低反应活化能从而到达助燃目的的新方法。本文结合等离子体助燃技术和激光激励的相关理论，在层流预混条件下对激光等离子体助燃进行了实验研究和机理分析。针对课题研究的内容，结合自身具备的实验条件，提出实验思路，搭建了激光等离子体助燃实验台。以甲烷燃料作为燃料，利用CCD、光谱分析仪及图像处理技术，采用本生灯燃烧器实验台，对CH4/O2/N2在激光等离子体助燃条件下的火焰传播特性进行实验研究。通过我们激光等离子体助燃的实验研究，发现采用飞秒激光等离子体助燃，激光作用产生777.4nm和844.6nm两个波长的氧原子，能够提高甲烷燃烧的化学反应速率，火焰传播速度明显增加，从而提高气体燃料燃烧的稳定性；同时，通过CHEMKIN模拟向初始CH4/O2/N2反应物中添加777.4nm、844.6nm波长的激发态氧原子的情况时，氧原子浓度的提高能够显著提高火焰传播速度。这很好的解释了飞秒激光等离子体助燃的主要机理，氧原子能够促进化学反应的进行，从而提高化学反应速率。通过实验研究，也验证了通过飞秒激光作用，产生等离子体激发出氧原子，提高CH4/O2/N2燃烧时的火焰传播速率，从而达到飞秒激光等离子体助燃的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 等离子体助燃研究的意义
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 等离子体助燃方法概论
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 课题的研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 激光等离子体助燃实验系统
• 2.1 引言
• 2.2 实验系统介绍
• 2.2.1 本生灯火焰燃烧系统
• 2.2.2 气体高精度流量控制及混合系统
• 2.2.3 飞秒激光等离子体助燃系统
• 2.2.4 火焰图像采集系统
• 2.2.5 光谱测量系统
• 2.3 激光等离子体助燃实验介绍
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 实验燃气
• 2.3.3 实验指标
• 2.3.4 实验内容
• 2.4 数据处理方法
• 2.4.1 本生灯火焰与本生灯法
• 2.4.2 本生灯面积积分法
• 2.5 本章小结
• 第3章 激光等离子体助燃实验研究
• 3.1 助燃原理
• 3.1.1 层流火焰传播速度的主要影响因素
• 3.1.2 激光等离子体
• 3.2 实验研究工况
• 3.3 试验结果与分析
• 2/N₂ 混气在飞秒激光作用下的光谱实验研究'>3.3.1 O₂/N₂混气在飞秒激光作用下的光谱实验研究
• 3.3.2 飞秒激光作用下火焰传播特性随激光作用位置变化的实验研究
• 3.3.3 飞秒激光作用下火焰传播特性随当量比变化的实验研究
• 3.3.4 飞秒激光作用下火焰传播特性随氧浓度变化的实验研究
• 3.4 绝热条件下火焰传播速度的分析
• 3.4.1 绝热条件下火焰传播速度随当量比的分析
• 2/N₂ 混气中氧浓度的分析'>3.4.2 绝热条件下火焰传播速度随O₂/N₂混气中氧浓度的分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 激光等离子体助燃机理研究
• 4.1 CHEMKIN 软件介绍
• 4.2 建模预处理
• 4.2.1 反应器模型的建立
• 4.2.2 气相动力学的输入
• 4.2.3 热力学数据的输入
• 4.2.4 传输动力学的输入
• 4.3 化学反应动力学理论
• 4.3.1 化学反应动力学基本概念
• 4.3.2 激发态氧原子产生机理的分析
• 4.3.3 反应活化能的计算
• 4/O₂/N₂ 混气在飞秒激光作用下化学反应机理的分析'>4.3.4 CH₄/O₂/N₂混气在飞秒激光作用下化学反应机理的分析
• 4.4 模拟内容
• 4.4.1 当量比
• 4.4.2 氧浓度
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间申请的发明专利
• 致谢