甲烷/空氣混合燃氣激光誘導等離子體點火研究

【摘要】：激光誘導等離子體點火（laser induced plasma ignition，LIPI）是實現(xiàn)貧燃燃燒系統(tǒng)和火箭發(fā)動機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠點火的一種新型點火技術，具有點火位置方便可控、點火工況適應性好、便于多點點火等優(yōu)點。本文針對現(xiàn)有的LIPI間接點火機理模型有待完善、擴散燃氣LIPI特性參數缺乏、LIPI最小點火激光脈沖能量（minimum laser pulse energy，MPE）較大從而制約其工程應用等問題，開展了甲烷/空氣混合燃氣LIPI特性和機理研究。 本文首先介紹了LIPI的研究現(xiàn)狀，分析了LIPI特性和機理研究存在的問題和不足，給出了本文的主要研究內容；然后針對間接點火模型未考慮燃燒化學反應在LIPI過程中的作用的缺陷和影響LIPI最終結果（點火成功或失?。┑年P鍵因素尚不明確的研究現(xiàn)狀，綜合考慮激光誘導等離子體（laser induced plasma，LIP）產生的熱效應和燃燒化學反應，基于Taylor爆炸波理論和氣相化學動力學軟件CHEMKIN，開展了甲烷/空氣預混燃氣LIPI燃燒化學動力學仿真研究，分析了等離子體火花能量和混合燃氣當量比對LIPI初始火核中OH基團濃度的影響以及初始火核中OH基團在LIPI過程中的作用。分析表明，LIPI是LIP引起的熱效應和燃燒化學反應協(xié)同作用下的一種強迫點火，在研究LIPI機理時應充分考慮燃燒化學反應尤其是OH基團發(fā)揮的重要作用。 其次，研究了氮氣、氧氣、空氣、甲烷等單元燃燒氣體LIP的擊穿閾值、電子溫度、電子密度、轉動溫度等特性及其隨激光脈沖能量和氣壓的變化規(guī)律，為甲烷/空氣混合燃氣LIPI的流體力學仿真提供了重要的基礎數據。提出了一種基于氬原子發(fā)射譜線分支比實現(xiàn)激光誘導擊穿光譜（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）系統(tǒng)相對光譜響應度標定的方法，實現(xiàn)了221-617nm光譜范圍內相對光譜響應度的標定，標定結果的不確定度為~11%；采用玻爾茲曼繪圖法和離子譜線的斯塔克加寬獲得了氮氣、氧氣、空氣LIP的電子溫度和電子密度；采用凹面反射鏡法檢驗和校正了甲烷LIP對Hα譜線的自吸收，并基于Hα譜線的斯塔克加寬獲得了甲烷LIP的電子密度；以轉動溫度為參量對C2基團Swan系統(tǒng)(0,0)譜帶進行數值模擬和匹配，獲得了甲烷LIP的轉動溫度。 再次，開展了基于LIBS的混合燃氣當量比測量方法研究，以甲烷/空氣層流預混火焰為標準，獲得了Hα譜線和777nm附近氧原子三重態(tài)譜線強度比IHα/IOItotal與當量比的標定關系以及激光脈沖能量、探測點位置、混合燃氣流速等參量對標定關系的影響，實現(xiàn)了甲烷/空氣預混火焰和甲烷擴散火焰局部當量比的測量，為LIPI機理研究提供了一種測量局部當量比的技術手段。 第四，開展了甲烷/空氣預混燃氣LIPI特性和機理研究。特性研究方面，系統(tǒng)研究了最小點火能量（minimum ignition energy，MIE）、點火延遲時間、吹熄時間等特性及其隨混合燃氣當量比、混合燃氣流速、點火點位置、等離子體火花能量等實驗條件的變化規(guī)律。獲得的MIE與已報道的結果吻合得很好，比電火花塞點火的MIE高一個數量級。隨著等離子體火花能量的增大，點火延遲時間逐漸降低然后趨于一個常量，吹熄時間則逐漸增大然后趨于一個常量。機理研究方面，綜合采用LIBS技術、熒光光譜技術和單光子計數技術，同步測量了LIPI過程中的等離子體火花能量、局部當量比和LIP形成早期（μs量級）OH基團的熒光輻射信號，采用二維參數耦合分析的方法，對上述參數與LIPI的最終結果進行關聯(lián)性分析，明確了影響LIPI最終結果的關鍵因素是LIP形成早期LIPI初始火核中的OH基團濃度，初始火核中的燃燒化學反應決定了初始火核能否發(fā)展成為自持燃燒的火焰。結合燃燒化學動力學仿真分析、實驗研究結果及已有的報道，提出了“熱效應-燃燒化學反應協(xié)同點火”的LIPI新機理，發(fā)展并完善了現(xiàn)有的間接點火模型。在LIP的熱效應和燃燒化學反應協(xié)同作用下，較高的等離子體火花能量（對應較高的剩余熱氣溫度）和靠近化學反應恰當比的局部當量比有利于在初始火核中形成較高的OH基團濃度，促進初始火核中H、O、OH等活性基團濃度的維持和增長，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋苿映跏蓟鸷酥腥紵瘜W反應的進行和初始火核的發(fā)展，最終實現(xiàn)成功點火。 最后，首次開展了更接近實用的甲烷/富氧空氣同軸噴注擴散燃氣LIPI特性研究。MIE和點火延遲時間在擴散區(qū)域表現(xiàn)出顯著的空間分布，分別為~8-18mJ和~140-2800μs。利用計算流體力學軟件FLUENT分析獲得了局部當量比的空間分布，表明LIPI特性的空間分布與點火點的局部當量比密切相關。同時，為了降低LIPI的MPE，提出了甲烷/富氧空氣預混燃氣激光燒蝕鉭靶等離子體點火的技術方案。對于氧濃度30%、流速282cm/s、當量比0.8-1.6的甲烷/富氧空氣預混燃氣，激光燒蝕鉭靶等離子體點火的MPE為2-5mJ，相比直接擊穿氣體點火下降了74%以上，對LIPI的工程應用具有重要意義；點火延遲時間隨著當量比的增大而降低，當當量比大于1.3時趨于一個常量~50μs。 本文的研究成果對于完善LIPI機理模型、指導LIPI系統(tǒng)的設計和優(yōu)化、促進LIPI的工程應用具有重要的科學意義和應用價值。 【關鍵詞】：激光誘導等離子體點火 甲烷/空氣混合燃氣 點火機理 點火延遲時間 最小點火能量
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TQ038.4;TN249
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-32
• 1.1 課題背景15-18
• 1.2 激光誘導等離子體點火物理過程簡析18-21
• 1.2.1 激光誘導等離子體的形成18-19
• 1.2.2 沖擊波的傳播和剩余熱氣的產生19-20
• 1.2.3 初始火核向自持火焰的發(fā)展20-21
• 1.3 激光誘導等離子體點火的研究現(xiàn)狀21-29
• 1.3.1 點火特性研究21-23
• 1.3.2 工程應用研究23-25
• 1.3.3 點火機理研究25-28
• 1.3.4 研究現(xiàn)狀分析28-29
• 1.4 本文的主要研究內容29-32
• 第2章 甲烷/空氣預混燃氣LIPI燃燒化學動力學仿真研究32-45
• 2.1 引言32
• 2.2 燃燒化學基本理論32-35
• 2.2.1 燃燒鏈式反應32-33
• 2.2.2 甲烷的氧化機理33-35
• 2.2.3 經典點火理論35
• 2.3 LIPI燃燒化學動力學仿真分析35-43
• 2.3.1 等離子體火花能量對剩余熱氣溫度的影響35-37
• 2.3.2 等離子體火花能量和當量比對初始火核OH基團濃度的影響37-41
• 2.3.3 初始火核OH基團對點火過程的影響41-43
• 2.4 本章小結43-45
• 第3章 單元燃燒氣體激光誘導等離子體特性研究45-90
• 3.1 引言45
• 3.2 激光誘導等離子體特性表征的方法45-53
• 3.2.1 發(fā)射光譜法表征等離子體特性的基本假設45-46
• 3.2.2 電子溫度的測量方法46-48
• 3.2.3 電子密度的測量方法48-51
• 3.2.4 自吸收檢驗及校正的方法51-53
• 3.3 實驗系統(tǒng)53-61
• 3.3.1 實驗系統(tǒng) I53-55
• 3.3.2 實驗系統(tǒng)II55-56
• 3.3.3 光譜采集系統(tǒng)光譜響應度的標定56-61
• 3.4 氮氣、氧氣、空氣的激光誘導擊穿閾值61-64
• 3.5 氮氣、氧氣、空氣激光等離子體的電子溫度和電子密度64-77
• 3.5.1 氮氣激光等離子體的電子溫度和電子密度64-72
• 3.5.2 氧氣激光等離子體的電子溫度和電子密度72-75
• 3.5.3 空氣激光等離子體的電子溫度和電子密度75-77
• 3.6 甲烷激光等離子體的電子密度77-81
• 3.7 甲烷激光等離子體的轉動溫度81-88
• 3.7.1 C_2基團Swan系統(tǒng)(0,0)譜帶的數值模擬81-85
• 3.7.2 轉動溫度的時間演化特性85-88
• 3.8 本章小結88-90
• 第4章 基于LIBS的混合燃氣當量比測量方法研究90-103
• 4.1 引言90-91
• 4.2 理論分析91-92
• 4.3 實驗裝置92-95
• 4.4 基于LIBS的混合燃氣當量比測量系統(tǒng)的標定95-100
• 4.4.1 甲烷/空氣層流預混火焰的LIBS光譜95-96
• 4.4.2 激光脈沖能量對標定關系的影響96-98
• 4.4.3 探測點位置對標定關系的影響98-100
• 4.4.4 混合燃氣流速對標定關系的影響100
• 4.5 甲烷/空氣火焰局部當量比的測量100-102
• 4.6 本章小結102-103
• 第5章 甲烷/空氣預混燃氣LIPI特性和機理研究103-128
• 5.1 引言103-104
• 5.2 實驗裝置104-108
• 5.3 最小點火能量研究108-111
• 5.3.1 點火點位置的影響109-110
• 5.3.2 混合燃氣流速的影響110-111
• 5.4 點火延遲時間和吹熄時間研究111-115
• 5.4.1 等離子體火花能量的影響111-112
• 5.4.2 混合燃氣當量比的影響112-114
• 5.4.3 混合燃氣流速的影響114-115
• 5.5 影響LIPI最終結果的關鍵因素研究115-123
• 5.5.1 等離子體火花能量和局部當量比對LIPI最終結果的影響115-117
• 5.5.2 激光等離子體形成早期OH基團濃度對LIPI最終結果的影響117-122
• 5.5.3 等離子體火花能量、局部當量比與OH基團濃度關聯(lián)性研究122-123
• 5.6 LIPI機理研究123-126
• 5.7 本章小結126-128
• 第6章 甲烷/富氧空氣擴散燃氣LIPI特性研究128-142
• 6.1 引言128
• 6.2 實驗裝置128-131
• 6.3 最小點火能量和點火延遲時間研究131-136
• 6.4 甲烷/富氧空氣預混燃氣激光燒蝕等離子體點火研究136-140
• 6.5 本章小結140-142
• 結論142-144
• 參考文獻144-159
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果159-162
• 致謝162-163
• 個人簡歷163

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內容

激光誘導等離子體光譜法(LIPS)測定不銹鋼中微量元素    李靜;翟超;張仕定;張鑒秋;孟祥儒;

克服大氣環(huán)境干擾的激光誘導等離子體光譜技術研究    呂剛;亓洪興;潘明忠;何志平;閆志欣;舒嶸;

激光誘導等離子體光譜儀實驗裝置的構建    徐國偉;魯先洋;費騰;杜學維;王聲波;王秋平;

國內鋼鐵分析研究進展    王慧;胡清;周利英;許玉宇;顧偉;王國新;劉烽;沈星;周錦帆;

激光誘導擊穿光譜法分析不銹鋼中金屬元素    陸運章;汪家升;喬東坡;鄭劍杰;唐瑩;

激光誘導擊穿鋼液等離子體有效信號提取研究    潘圣華;陸繼東;陳凱;姚順春;李俊彥;董美蓉;李軍;

激光在原子發(fā)射光譜分析中的應用研究    李倩

用激光誘導等離子體光譜法分析碳鋼樣品中碳含量的實驗研究    費騰

金屬材料的激光誘導等離子體光譜法成分分析的實驗研究初級視皮層功能    魯先洋

激光誘導等離子體光譜儀的研制    徐國偉

激光誘導擊穿光譜應用于金屬特性分析研究    潘圣華

不同機械性能的鍋爐受熱面材料激光誘導擊穿光譜研究    李俊彥

LIBS遙測系統(tǒng)設計及初步實驗結果    韓振宇

激光等離子體光譜法用于測量水溶液中鈣的濃度    李靜;林長賀;李勝利;

基于激光誘導離解光譜技術的元素識別方法    亓洪興;舒嶸;馬德敏;何志平;呂剛;

激光誘導等離子體光譜技術應用于月球探測的可行性研究    亓洪興;潘明忠;呂剛;何志平;閆志欣;舒嶸;