低溫等離子體羽射流特性診斷研究

張 維，陳 雷，宋 鵬，楊 聰，劉 宇，曾 文

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 100136；2.大連理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 遼寧 大連 116024；3.大連民族大學(xué) 智能感知與先進(jìn)控制國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024)

大氣壓低溫等離子體射流(APPJ)是目前國際上等離子體科學(xué)研究領(lǐng)域的重要探索熱點(diǎn)之一。由于放電射流衍射的氣動效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、溫升效應(yīng)等特性具備縮短點(diǎn)火延遲、增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?、改善穩(wěn)定性、提高燃燒效率以及減少污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，在點(diǎn)火助燃領(lǐng)域具有巨大潛能。此外，由于其高活性、電中性等特性在生物醫(yī)學(xué)治療、能源探索研究、流動控制、污染物處理及其他新技術(shù)與新應(yīng)用等[1-6]領(lǐng)域也具有卓越的貢獻(xiàn)。

隨著大氣壓低溫等離子體射流從基礎(chǔ)研究和小眾、高端應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到更廣闊的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外對射流應(yīng)用研究已經(jīng)逐步開展。盧新培等對大氣壓脈沖放電等離子體的研究進(jìn)行綜述與展望[7]；李雪辰等利用針-網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行直流等離子體射流放電并進(jìn)行光譜特性研究[8]；鮮于斌等通過前人總結(jié)概述了電場和流場對等離子體射流的推進(jìn)機(jī)理的影響[9]；侯世英等通過對比不同電極位置、電極尺寸、外加電壓和氣體體積流量分析了氦氣等離子體射流特性[10]；Li等人報(bào)道了直流驅(qū)動條件下氬氣的APNP-J裝置[11]；Shouichiro lio等人采用速度測量和快速攝影的方法，對等離子體射流和工作氣體的流動進(jìn)行評價(jià)[12]；A.Van Deynse等人采用不同的分析技術(shù)研究了氬氣常壓放電對低密度聚乙烯進(jìn)行表面改性[13]。

等離子體射流的診斷方法眾多，傳統(tǒng)方法包括高速攝像與發(fā)射光譜相耦合獲得放電形態(tài)、電子激發(fā)溫度、密度等，研究等離子體射流特性是低溫等離子體應(yīng)用工程化必須回答的基礎(chǔ)問題。為解決航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火可靠性及燃燒穩(wěn)定性，本文針對針-環(huán)雙電極結(jié)構(gòu)，采用微秒脈沖電壓驅(qū)動源來生成等離子體射流，分析了不同頻率、不同電壓對放電的影響并對針尖位置和噴嘴出口處光電特性進(jìn)行討論分析，為等離子體激勵(lì)強(qiáng)化燃燒提供了有力的支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究采用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，等離子體射流發(fā)生器采用課題組自主搭建的針-環(huán)同軸電極結(jié)構(gòu)，主要由一個(gè)尖銳的紫銅中心電極和紫銅帶組成，中心電極連接高壓接線端，紫銅帶串接接地端，絕緣層選用石英玻璃，其直徑為12 mm、壁厚2 mm，紫銅帶寬5 mm且距針尖的距離為10 mm。南京蘇曼公司生產(chǎn)CPT-2000K型低溫等離子體電源為電極供電，放電電流電阻采樣阻值為50 Ω，電流測量取樣電容值為0.47 μF，電壓、電流及放電頻率等參數(shù)均由Tektronix-TDS1002型數(shù)字示波器記錄；氬氣(濃度為99.99%)由氬氣瓶供給；射流照片由Canon DS126201相機(jī)拍攝，曝光時(shí)間是0.25 s，采用具有高采集精度的AvaSpec-ULS2048-4-USB2SZ型光纖光譜儀捕攝光譜信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)儲存及記錄。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)前，使用汞燈對光譜儀的波長分辨率和波長精度進(jìn)行標(biāo)定，并自動進(jìn)行校正，使用鎢燈對光譜儀的光譜相對響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，對比等離子體射流和標(biāo)準(zhǔn)光源(鎢絲燈)的輻射強(qiáng)度，對射流的輻射強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，用經(jīng)標(biāo)定好的光譜儀采集并記錄系列Ar等離子體譜線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 射流長度

實(shí)驗(yàn)中，保持氬氣體積流量4 L/min不變，放電頻率分別為8 kHz、10 kHz、12 kHz，放電峰值電壓由6 kV逐步加至13 kV(間隔1 kV)，來研究放電頻率以及外加電壓對大氣壓等離子體射流長度特性的影響。圖2、圖3給出了等離子體射流照片以及射流長度隨外施電壓、放電頻率的演變規(guī)律。由圖2、圖3可知，放電前期等離子體羽射流隨外加電壓值的增長而不斷延伸。當(dāng)外源電壓繼續(xù)增大至13 kV，射流長度增長速度變緩并趨于穩(wěn)定。這說明等離子體羽射流尺度不是單獨(dú)隨著外加電壓的增大而增長，而是由于放電過程中產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)活性粒子與氣流擾動兩方面共同決定的[14]。隨著頻率的增長，射流長度呈現(xiàn)增長的趨勢且在12 kHz下射流長度最長，最大長度可達(dá)25 mm。電壓增大至10 kV后，射流發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，噴嘴出口處出現(xiàn)耀眼的白光且射流尖端呈現(xiàn)藍(lán)紫色，由發(fā)光現(xiàn)象可推斷出此次射流放電模式為類輝光放電；射流邊緣出現(xiàn)絲狀毛刺，流柱頭部呈現(xiàn)彌散狀，且發(fā)出刺耳的電離聲，這主要是由于電壓的增加，外部電場強(qiáng)度增大，射流本身攜帶更大能量，足以離解空氣中部分混合氣體，其次由于空氣中的氧氣是電負(fù)性氣體，吸引大量電子，使氬原子與電子間的碰撞次數(shù)減少，射流流動紊亂。周圍空氣對射流長度具有非常強(qiáng)的影響效果。

2.2 電壓-電流特性

實(shí)驗(yàn)中,采用示波器捕獲到的等離子體射流微秒脈沖輸出電壓、放電電流的波形如圖4所示，此時(shí)外源電壓峰-峰值為13 kV。如圖4所示，一個(gè)放電脈沖周期內(nèi)，放電脈寬隨著頻率的增長而減小，在12 kHz時(shí)脈寬達(dá)到最小。對于時(shí)間t的不同相位，放電脈沖并不對稱。在施加電壓的一個(gè)周期中有3個(gè)電流脈沖，呈現(xiàn)正向雙脈沖、負(fù)向單脈沖的形式，脈沖下降沿的反向電場導(dǎo)致負(fù)放電脈沖的形成。導(dǎo)致針-環(huán)電極射流正負(fù)向脈沖個(gè)數(shù)不對等的主要因素有如下幾方面：針狀高壓電極裸露在工作氣體中沒有覆蓋絕緣介質(zhì)層，使得正負(fù)電極外表面累積的表面電荷數(shù)不同；外源電場在管內(nèi)分布并不均勻[15]。隨著外源電壓繼續(xù)升高，暫未熄滅的放電可在瞬時(shí)得到增強(qiáng)[16]，形成幅值不同的多脈沖情況；此外，正離子相較于電子其質(zhì)量更大，當(dāng)施加正向外源電壓時(shí)可大大促進(jìn)正向電場的演變發(fā)展，因此正半周期的電流脈沖個(gè)數(shù)更多。

圖2 等離子體射流照片

圖3 射流長度隨放電頻率、外加電壓的變化趨勢圖

圖4 13 kV氬等離子體射流放電的電壓-電流波形圖

2.3 光譜特性

為了進(jìn)一步研究等離子體射流活性粒子的用途，在Ar質(zhì)量流量為4 L/min的條件下，對不同放電頻率、不同電壓所激發(fā)的等離子體射流進(jìn)行光譜采納，得到輻射光譜信息如圖5所示。圖5a所示為外源電壓峰-峰值6 kV下，大氣壓Ar等離子體射流譜線分布及活性粒子成分分析。由圖5a可知Ar等離子體射流主要生成的活性粒子有Ar、OH和O，這是由于大氣壓下，射流裝置周圍部分水蒸氣及氧氣會被較強(qiáng)的電場予以激發(fā)離解；此外激發(fā)態(tài)ArⅠ的存在對發(fā)射光譜起主導(dǎo)作用，共采集到15條ArⅠ譜線，譜線波長范圍高度集中在680～850 nm之間，在763.5 nm處Ar譜線強(qiáng)度達(dá)到最大值；其次在309.23 nm處發(fā)現(xiàn)了OH粒子成分的存在，同時(shí)在777.02 nm處出現(xiàn)了微弱的O譜線。圖5b所示為不同放電Ar等離子體射流譜線的分布及強(qiáng)弱。選取高壓針狀電極尖端部位處進(jìn)行譜線觀測記錄。由圖5b可知，隨著放電頻率的增長光譜輻射強(qiáng)度逐漸增長，在12 kHz強(qiáng)度值最大。

圖5 氬等離子體射流發(fā)射光譜圖

為了進(jìn)一步分析射流特性，采用Boltzmann法分析并計(jì)算Ar等離子體射流的電子激發(fā)溫度。從誤差分析角度考慮，選取的譜線能級差要求盡可能大，本文擬定選取13.48eV、13.28eV、13.17eV共4條譜線，擬選擇的譜線涵蓋區(qū)間范圍廣并具有可靠的擬合性、誤差小等特點(diǎn)。所選Ar激發(fā)態(tài)譜線的具體特性參數(shù)為750.38 nm(2p1→1s2)、763.51 nm(2p6→1s5)、794.81 nm(2p3→1s3)、800.61 nm(2p6→1s4)，選擇峰值電壓6 kV，以中心位置所觀測到的譜線為基準(zhǔn)，經(jīng)過最小二乘法擬合得到Boltzmann擬合直線如圖6所示。圖6所示共有9條隨電壓變化的擬合走勢線，Ar等離子體射流譜線對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較好，線性擬合誤差值在9%左右，一元線性擬合程度較高。經(jīng)計(jì)算得到放電頻率8 kHz、10 kHz、12 kHz時(shí)的電子激發(fā)溫度分別為14 000 K、16 000 K、18 000 K，圖7記錄了3種放電頻率下的電子激發(fā)溫度，因此可以得到放電頻率是影響等離子體射流放電特性的關(guān)鍵因素。

圖6 氬等離子體射流Boltzmann擬合直線圖

圖7 三頻率下的電子激發(fā)溫度

由原子發(fā)射光譜原理知,在局域熱平衡模型下有如下關(guān)系式

(1)

3 結(jié)論

通過自主搭建的針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)等離子體射流裝置進(jìn)行大氣壓下氬氣電離試驗(yàn)，采用攝影技術(shù)-電化學(xué)特性-輻射光譜法相耦合的測量方法對等離子體射流的基本特性進(jìn)行了診斷。主要結(jié)論如下：

(1) 針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)氬等離子體射流放電類似為輝光放電，射流激發(fā)的活性粒子主要有Ar、OH以及微弱的O等；

(2) Ar質(zhì)量流量4 L/min,放電形成的射流長度隨外施電壓的升高呈現(xiàn)先線性增長后趨于變緩的態(tài)勢，在放電頻率12 kHz時(shí)射流達(dá)到最長，可達(dá)25 mm；

(3) 微秒脈沖低溫等離子體射流放電可形成穩(wěn)定可靠的多脈沖電流信號，然而僅電壓脈寬范圍內(nèi)的主電流峰具有一定的重復(fù)性和規(guī)律性，針-環(huán)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為典型的正向雙脈沖、負(fù)向單脈沖的特點(diǎn)；

(4) 隨著放電頻率的增大等離子體射流譜線輻射強(qiáng)度增大，且電子激發(fā)溫度也逐漸增加。