預(yù)燃式等離子體射流點火器的光譜特性實驗

田?裕，于錦祿，蔣永健，龍吟濤，王詩淋，程偉達，胡雅驥

預(yù)燃式等離子體射流點火器的光譜特性實驗

田?裕1，于錦祿1，蔣永健2，龍吟濤1，王詩淋1，程偉達1，胡雅驥1

(1. 空軍工程大學航空工程學院，西安 710038；2. 陸軍航空兵研究所，北京 101100)

作為當今世界上行之有效的先進點火方式，等離子體射流點火是航空航天以及稀薄燃燒領(lǐng)域極有前途的新課題．使用自行設(shè)計的預(yù)燃式等離子體射流點火器，以CH4/空氣混合氣為工作介質(zhì)進行了等離子體射流實驗．為研究預(yù)燃式等離子體射流點火器的光譜特性，測量了點火器出口的發(fā)射光譜，計算了CN粒子的振動溫度，研究了燃空比對點火射流光譜特性的影響．實驗結(jié)果表明：預(yù)燃式等離子體射流點火器工作時會生成大量的活性粒子，活性粒子分布、數(shù)量、振動溫度隨點火射流的不同區(qū)域有明顯變化；燃空比增大時，C3、CH、OH和CN粒子的光譜發(fā)射強度呈現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律．

預(yù)燃式點火器；等離子體射流；光譜特性；燃空比；振動溫度

等離子體是由帶電的正粒子、負粒子、自由基以及各種活性基團組成的集合體，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)．目前有很多方式產(chǎn)生等離子體，比如納秒脈沖放電[1]、輝光放電[2]以及電弧放電[3-4]等，其中電弧放電方式具有能量高、擊穿能力強等特點，適合用于產(chǎn)生等離子體射流，可用于燃燒室點火．等離子體射流能量高，富含活性粒子[5]，適用于航空發(fā)動機點火[6-7]，近年來成為研究熱點[8]．等離子體點火器通過產(chǎn)生高溫電弧擊穿放電介質(zhì)，在氣流作用下形成高溫等離子體射流，點火范圍大，同時湍流強度高、能量大，可用于縮短點火延遲時間以及拓寬點火邊界[9]．

等離子體技術(shù)在國內(nèi)外飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域．在能源領(lǐng)域，其對提高燃燒效率、降低污染物排放有著重要意義．在燃氣輪機領(lǐng)域，等離子體點火技術(shù)已經(jīng)在船用燃氣輪機領(lǐng)域逐步實用化，為等離子體點火在航空發(fā)動機的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)．等離子體射流點火中的化學反應(yīng)十分復雜，涉及流體、燃燒、放電、等離子體等多重因素，其燃燒機理一直是研究熱點和難點．Wagner等[10]提出了等離子體射流能量密度的概念，并使用氫氣和氬氣的混合氣產(chǎn)生等離子體射流進行點火實驗，點火總功率最高可達3000W，氬氣利于超音速射流的穩(wěn)焰，但是不利于點火．Gallimore等[11]采用低功率(2kW)熱等離子體在甲烷、乙烯、丙烯和丙烷等的預(yù)混混合物(當量比1.4～3.3)中進行了亞音速和超音速(馬赫數(shù)2.4～3)燃燒點火．實驗結(jié)果表明，等離子體射流能增強燃料與空氣的混合，可重復進行可靠的點火．董麗芳??等[12-14]對等離子體分子振動溫度、電子狀態(tài)等方面展開了大量的研究，從實驗和計算兩方面驗證了大氣壓等離子體為非平衡態(tài)．

目前的研究中，等離子體射流點火器內(nèi)的放電介質(zhì)大多以空氣、氬氣、氮氣等為主，可以通過改變射流出口結(jié)構(gòu)、增大驅(qū)動電源功率以及調(diào)節(jié)介質(zhì)流量等方式來進一步提升射流能量，擴大點火范圍，加強點火效果[15-16]．但等離子體射流點火仍存在射流剛度較低、射流溫度梯度較大、能量耗散較快等問題，等離子體射流受橫向來流偏轉(zhuǎn)明顯，限制等離子體射?流深入燃燒室點火，致使射流中高溫電弧作用范圍?有限．

本文設(shè)計了一種預(yù)燃式等離子體射流點火器，使用甲烷/空氣混合氣作為放電介質(zhì)能顯著增加射流長度．在此基礎(chǔ)上，針對其光譜特性進行實驗研究，為進一步探究電弧放電過程中等離子體射流點火的化學反應(yīng)機理奠定基礎(chǔ)．

1?實驗系統(tǒng)設(shè)置

點火器光譜特性實驗系統(tǒng)由預(yù)燃式等離子體射流點火器、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，如圖1所示．

如圖2所示，本文采用的預(yù)燃式等離子體射流點火器實驗時使用空氣/甲烷混合氣作為放電介質(zhì)，點火器工作時，來流空氣經(jīng)由點火器側(cè)面入口進入點火器，甲烷氣體從陰極銅管底端的噴口射出，甲烷射流與空氣進行摻混．在點火器出口收斂段電極之間放電介質(zhì)被擊穿后，發(fā)生電離反應(yīng)形成電離區(qū)，形成電弧，迅速地點燃了甲烷和空氣的混合物，從陽極出口射出，形成預(yù)燃式等離子體射流．點火器出口形成的射流是一種高溫、高速、射流剛度較強、湍流程度較大的等離子體與火焰混合的射流，具有極強的穿透能力和極強的點火能量．

供電系統(tǒng)采用自研的等離子體射流點火驅(qū)動電源為點火器供電．供氣系統(tǒng)使用甲烷氣瓶供給實驗所需的甲烷氣體，使用空氣壓縮機和過濾裝置提供純凈干燥空氣，通過電磁流量閥準確調(diào)控供給點火器的氣體流量．測量系統(tǒng)采用Avantes AvaSpec-ULS2048-4-USB2四通道光纖光譜儀采集等離子體射流的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，可以對不同波長范圍(200～365nm，360～505nm，500～625nm和620～950nm)的粒子采集，同時通過計算機搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示和處理采集到的光譜數(shù)據(jù)．

2?實驗結(jié)果與分析

光譜特性主要反映等離子體射流內(nèi)粒子組成、粒子狀態(tài)以及粒子分布等特點，是研究等離子體射流內(nèi)化學反應(yīng)機理、分析點火原理的重要參考依據(jù)．

2.1?不同位置等離子體射流的光譜特性

根據(jù)距離點火器出口的位置可將等離子體射流分為3個區(qū)域：電弧電離區(qū)、過渡區(qū)和尾焰區(qū)，見圖3.為了便于對等離子體射流的不同位置進行說明，本文將距離等離子體點火器出口的軸向距離定義為，并分別取不同的值以研究不同位置的等離子體射流的光譜特性．電弧電離區(qū)在電弧附近，受到陽極通道內(nèi)壁面的約束，射流直徑與噴口直徑相當，以電離作用為主，同時也發(fā)生燃燒反應(yīng)；電弧末端附近區(qū)域為過渡區(qū)，空氣經(jīng)等離子體射流加熱后，迅速膨脹，卷吸點火器出口周圍的冷空氣，射流直徑增大，在電離產(chǎn)生的活性粒子的誘導下，甲烷燃燒產(chǎn)生更多的活性粒子，燃燒作用顯著增強．在尾焰區(qū)以燃燒反應(yīng)為主，活性粒子發(fā)射強度顯著降低，尾焰區(qū)范圍最大．

圖3?點火器出口等離子體射流

在電弧電離區(qū)，主要是CH4和空氣的初步混合過程，并隨著電離過程會產(chǎn)生大量含C、H、N、O等的活性粒子；在過渡區(qū)中，CH4和空氣進一步摻混，產(chǎn)生活性粒子的種類和數(shù)目進一步增加，開始出現(xiàn)OH粒子，表明產(chǎn)生初步的燃燒反應(yīng)；在火焰區(qū)，電弧在此區(qū)域已經(jīng)結(jié)束，燃燒反應(yīng)逐漸增強，開始逐漸消耗電離過程中產(chǎn)生的活性粒子．

圖4?不同位置的發(fā)射光譜特性

在＝4mm時，如圖4(a)所示，采集的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)屬于電弧電離區(qū)，該區(qū)域的特征峰主要分布在波長225～600nm的范圍內(nèi)，包括CH、C2、NO、CN、CO、CO2＋等粒子．在電弧產(chǎn)生階段及發(fā)展的初期，主要是CH4參與的電離反應(yīng)，生成CH和C2等，其反應(yīng)過程為：

同時有少量空氣中的N2、O2和CO2等被電離并參與反應(yīng)，生成NO、CN、CO2＋等粒子．并且由于該點火器的電極是銅制的，光譜中也出現(xiàn)了少量CuH的特征峰．

如圖4(b)所示，在＝9mm時，射流區(qū)域開始轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡區(qū)，發(fā)射光譜中特征峰出現(xiàn)的數(shù)量和強度都呈現(xiàn)較大幅度的增加，其波長范圍主要分布在225～325nm和425～525nm中，其中C2、CH、CN等含碳粒子特征峰保持顯著水平．而隨著射流長度的增加，射流與空氣進一步摻混，更多的N2和O2參與反應(yīng)，導致O2+、N2O+及NH+等含氮、含氧粒子數(shù)量增加，其反應(yīng)過程為：

在512.35nm處可以觀察到OH的特征峰，這表明射流在到達該距離時已經(jīng)開始出現(xiàn)初步的燃燒反應(yīng)，但此時OH的數(shù)量較少．

隨著射流進一步發(fā)展，在＝16mm時，如圖4(c)所示，CH4和點火器外圍的空氣摻混更加充分，射流開始進入火焰區(qū)，燃燒反應(yīng)強度逐漸增加，燃燒中間產(chǎn)物增加，粒子的發(fā)射強度達到最大．與＝9mm時相比，C2、CO等含碳粒子的種類和數(shù)量進一步增加，同時出現(xiàn)C3等高碳粒子，且OH的相對含量也增加了50%．

如圖4(d)所示，點火器射流在到達＝21mm時，已經(jīng)完全到達火焰區(qū)，絕大部分的CH4開始經(jīng)歷燃燒過程，并消耗電離過程中產(chǎn)生的CO、OH等活性粒子，導致其數(shù)量下降較快．在該區(qū)域中，粒子的特征峰強度顯著降低．

從點火器出口開始，隨著的不斷增加，等離子體射流先后經(jīng)歷了電弧電離區(qū)、過渡區(qū)和火焰區(qū)，與此同時活性粒子的光譜發(fā)射強度也呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，這與射流的發(fā)展過程是相對應(yīng)的．

2.2?燃空比對等離子體射流光譜特性的影響

如前所述，等離子體射流中該區(qū)域位于電弧電離區(qū)后，屬于過渡區(qū)階段，因此活性粒子主要來源于電弧的電離過程．當射流中空氣流量增加時，電弧電離區(qū)電離的活性粒子數(shù)量增加，根據(jù)潘寧效應(yīng)，激發(fā)態(tài)粒子碰撞中性粒子使后者進行電離，等離子體的發(fā)射光譜強度增加．而隨著燃空比的增加，空氣流量不斷減小，因此由潘寧電離過程產(chǎn)生的等離子體數(shù)量減少，其相應(yīng)的光譜發(fā)射強度也隨之減?。?/p>

活性粒子的數(shù)量也會受到氣動作用的影響．空氣流量大時，點火器出口的氣流速度大，粒子經(jīng)過電弧電離區(qū)的速度快，電離時間短，導致氣體難以充分電離．同時考慮到空氣流量的增大，加快了等離子體射流的對流傳熱，同時縮小了等離子體弧柱截面積，陽極放電位置向射流出口的下方移動，等離子弧被逐步拉長，點火器電極間電弧電阻隨之增大．由于等離子體點火器的維弧電壓保持不變，導致電弧電流和等離子弧的發(fā)熱功率減小，其相應(yīng)的光譜發(fā)射強度也隨之減小．另外，增大空氣流量，射流出口處氧氣含量增加，由于氧氣自身具有電負性，對自由電子的吸引作用較強，抑制放電過程，最終影響了粒子的光譜發(fā)射強度．因此在通過減小空氣流量使得燃空比增大的過程中，等離子體射流活性粒子的發(fā)射光譜強度逐漸增大．

綜合潘寧電離作用和氣動作用對光譜發(fā)射強度的不同影響，導致射流的光譜發(fā)射強度存在最大值，在小于7.9%時，主要是氣流的氣動作用影響，而在大于7.9%時，主要以潘寧電離作用為主，這導致光譜發(fā)射強度先增大后減?。?/p>

2.3?CN粒子的振動溫度分析

振動溫度是衡量等離子體振動激發(fā)強度的重要參數(shù)，能夠反映等離子體中粒子能量的相對大小，對振動溫度的研究是深入探究等離子體點火反應(yīng)機理的有效手段之一．本文對CN粒子的發(fā)射譜線進行了分析，采用玻爾茲曼斜率法計算其振動溫度，得到了燃空比對振動溫度的影響規(guī)律及射流不同位置處的振動溫度的變化規(guī)律．

對于CN等雙原子分子，發(fā)射光譜振動譜帶的譜線強度為：

由分子光譜學理論得到上態(tài)振動能量：

式(6)中等號右邊第3項及之后各項相比前兩項可忽略不計．

等離子體射流為非平衡等離子體，滿足局部熱平衡假設(shè)，則在局部熱平衡假設(shè)下，上下態(tài)分子數(shù)滿足玻爾茲曼方程：

聯(lián)立上式可得：

本節(jié)計算得到了CN粒子在不同工況下的振動溫度，并分別研究了不同位置和燃空比對CN粒子振動溫度的影響，如圖6所示．在點火器的輸入電流＝25A，燃空比＝6.1%時，通過對不同位置的射流區(qū)域進行分析，得到了振動溫度隨的變化規(guī)律：隨著的增大，即在等離子體射流逐漸遠離點火器出口的過程中，CN粒子的振動溫度逐漸減小，降幅為350K左右．在＝4mm時，射流位于電弧電離區(qū)，放電過程中產(chǎn)生大量的CN粒子，粒子能量較高，因此振動溫度較高，達到2500K左右．隨著射流進一步發(fā)展，＝9mm時進入過渡區(qū)，活性粒子因參與燃燒過程而逐漸被消耗，導致CN粒子的振動溫度隨之降低．在＝16mm和＝21mm時，射流逐步發(fā)展到火焰階段，燃燒反應(yīng)逐漸加劇，消耗活性粒子的速度增加，粒子數(shù)量急劇減少，振動溫度下降，最低時其振動溫度為2045K．

在點火器輸入電流為＝25A，射流位置為＝9mm時，研究了燃空比對振動溫度的影響．如圖6(b)所示，隨著燃空比的增加，振動溫度逐漸減?。畬嶒炛腥伎毡鹊脑黾邮峭ㄟ^保持CH4流量不變而減小空氣流量來實現(xiàn)的，因此的增大意味著空氣流量不斷減小，這導致放電過程中的潘寧效應(yīng)也隨之減弱，使得活性粒子的能量降低，振動溫度降低．而在不同的工況下，等離子體射流中CN粒子的振動溫度始終保持在2000～2500K的范圍內(nèi)，接近預(yù)燃式等離子體熱平衡態(tài)的射流溫度2690K，低于甲烷充分燃燒時溫度3120K．這說明甲烷的燃燒作用產(chǎn)生大量活性粒子，電子和單個粒子平均碰撞能量減?。?/p>

3?結(jié)?論

(1)預(yù)燃式等離子體射流點火器在工作時會產(chǎn)生大量的活性粒子，在射流的不同區(qū)域粒子的分布及數(shù)量均有所不同，在電弧電離區(qū)主要有CH、C2、NO、CN、CO、CO2＋等粒子；在過渡區(qū)則主要是O2＋、N2O＋及NH＋等含氮、含氧粒子，C2、CO等含碳粒子和C3等高碳粒子；而在射流的火焰區(qū)內(nèi)，粒子的種類與過渡區(qū)基本相同，但粒子數(shù)目有所減少．

(2) 隨著燃空比的增加，C3、CH、OH和CN粒子的光譜發(fā)射強度在潘寧電離作用和氣動作用的共同影響下，均呈現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律，在＝7.9%時達到最大值．

(3) 在射流的不同位置處，粒子的振動溫度不同，隨著射流不斷發(fā)展，距離點火器出口越長，振動溫度越低，振動溫度最小時為2045K；隨著燃空比的增加，振動溫度也呈現(xiàn)出降低的趨勢，但始終能夠保持在2000～2500K的范圍內(nèi)，接近預(yù)燃式等離子體射流溫度2690K．

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Experimental Investigation on Spectral Characteristics of Pre-Combustion Plasma Jet Igniter

Tian Yu1，Yu Jinlu1，Jiang Yongjian2，Long Yintao1，Wang Shilin1，Cheng Weida1，Hu Yaji1

(1. Aviation Engineering School，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；2. Army Aviation Research Institute，Beijing 101100，China)

As an effective and advanced ignition method worldwide at present，plasma jet ignition is a promising ignition technology in the aerospace and lean combustion fields. Through a self-designed pre-combustion plasma jet igniter，the plasma jet experiment was carried out with mixed methane-air as the working substance. To study the spectral characteristics of pre-ignition plasma jet igniter，the emission spectra at the outlet of the igniter were measured，the vibration temperature of CN particles was calculated，and the influence of fuel-air ratio on the spectral characteristics of ignition jet was studied. Experimental results show that a large number of active particles were produced when the pre-ignition plasma jet igniter worked. The distribution，number and vibration temperature of active particles varied significantly with the different regions of the ignition jet. The spectral emission intensity of C3，CH，OH and CN particles increased first and then decreased with the increase of fuel-air ratio.

pre-combustion igniter；plasma jet；spectral characteristics；fuel-air ratio；vibration temperature

V233.3

A

1006-8740(2021)05-0562-07

10.11715/rskxjs.R202108018

2021-03-09.

國家自然科學基金資助項目(51776223；91741112).

田?裕（1998—??），男，碩士研究生，kgytianyu@foxmail.com.

于錦祿，男，博士，副教授，yujinlu1@163.com.

(責任編輯：武立有)