滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化甲烷/空氣擴(kuò)散火焰燃燒研究

狄 輝， 車(chē)學(xué)科， 鐘 戰(zhàn)， 吳祥東， 朱少鵬

（航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系， 北京 101416）

0 引言

等離子體是物質(zhì)除了氣體、液體、固體之外的第四態(tài)[1]，它在地球上比較少見(jiàn)，但在星系內(nèi)，物質(zhì)質(zhì)量99%以上是以等離子體存在。 等離子體按照其內(nèi)部粒子的自由度能量可以分為完全熱平衡等離子體[2]、局部熱平衡等離子體[3]和非平衡等離子體[4]。 非熱平衡等離子體如介質(zhì)阻擋放電[5]，在航空航天領(lǐng)域有重要用途，如流動(dòng)控制[6-7]、點(diǎn)火助燃[8-9]和電推進(jìn)[10-11]?；瑒?dòng)弧等離子體是一種局部熱平衡等離子體[12]，既有熱平衡等離子的特點(diǎn)，又有非熱平衡等離子體特點(diǎn)，它在滑動(dòng)放電過(guò)程中會(huì)釋放大量熱量，并產(chǎn)生高溫電子，這些高溫電子會(huì)促進(jìn)活性粒子的形成，進(jìn)而加快燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。 滑動(dòng)弧等離子體這一特點(diǎn)使其在強(qiáng)化燃燒領(lǐng)域有較大的應(yīng)用價(jià)值， 將滑動(dòng)弧等離子體應(yīng)用在航天器姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火助燃中， 可使航天器擁有更長(zhǎng)的在軌時(shí)間，更強(qiáng)的變軌能力。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)滑動(dòng)弧等離子體均有較多研究，主要集中在滑動(dòng)弧等離子體放電方面， 而在點(diǎn)火助燃方面研究相對(duì)較少。 在國(guó)內(nèi)，空軍工程大學(xué)何立明等[13]進(jìn)行了平面滑動(dòng)弧等離子體的放電實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)平面滑動(dòng)弧等離子存在兩種放電模式，即穩(wěn)定電弧滑動(dòng)與擊穿伴隨滑動(dòng)，這兩種滑動(dòng)模式在電信號(hào)和滑動(dòng)形態(tài)上顯著不同， 受到電極結(jié)構(gòu)、工質(zhì)氣體流量和激勵(lì)電壓的影響；在國(guó)外，保加利亞St Kolev 等[14]研究了平面滑動(dòng)弧等離子體在氮?dú)庵蟹烹娺^(guò)程， 針對(duì)2.8mA 和28mA 兩種電流的滑動(dòng)弧建立了能量傳遞模型， 發(fā)現(xiàn)較小電流的滑動(dòng)弧體積比較大電流的滑動(dòng)弧體積大，大電流下的滑動(dòng)弧具有“放電收縮”現(xiàn)象；綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)滑動(dòng)弧等離子體研究主要集中在機(jī)理方面，應(yīng)用研究較少，將滑動(dòng)弧等離子體應(yīng)用在小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火助燃方面更是罕有報(bào)道，因此對(duì)滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而應(yīng)用在小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上具有較大價(jià)值。

本文針對(duì)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)同軸剪切噴注器構(gòu)型設(shè)計(jì)了滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 在定常和非定常兩種放電模式下分析空氣流量、 電源占空比對(duì)滑動(dòng)弧強(qiáng)化擴(kuò)散火焰燃燒影響， 為下步設(shè)計(jì)實(shí)用型滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火器提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 所示為滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括高壓甲烷氣瓶、高壓空氣氣瓶、數(shù)字示波器、高頻交流電源、調(diào)壓器、數(shù)碼相機(jī)、光譜儀、滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器和計(jì)算機(jī)。示波器采用安捷倫DSOX3054A示波器； 交流電源采用蘇曼科技生產(chǎn)的CTP-2000K高頻交流電源， 電壓峰-峰值為0～30kV， 電源頻率為5～25kHz，具有兩種輸出模式：定常（連續(xù)放電）模式和非定常（脈沖放電）模式； 高壓甲烷氣瓶?jī)?nèi)裝高純甲烷，高壓空氣氣瓶?jī)?nèi)裝高純空氣， 可為滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器提供高純甲烷和高純空氣； 光譜儀采用愛(ài)萬(wàn)提斯AvaSpec-ULS2048CL 四通道光譜儀， 可對(duì)甲烷/空氣擴(kuò)散火焰進(jìn)行光譜診斷； 數(shù)碼相機(jī)采用佳能ESO600 數(shù)碼相機(jī)，可對(duì)正擴(kuò)散火焰形態(tài)進(jìn)行拍攝。

圖1 滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 所示為滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖， 該點(diǎn)火器主要包括電極陽(yáng)極、電極陰極、一個(gè)甲烷進(jìn)氣孔、兩個(gè)高純空氣進(jìn)氣孔和絕緣陶瓷組成。 高純空氣從兩個(gè)空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入后在激勵(lì)器內(nèi)部形成環(huán)縫氣體向上流出， 高純甲烷從甲烷進(jìn)氣孔進(jìn)入后在電極處形成甲烷射流，甲烷噴孔直徑2mm，空氣環(huán)縫噴孔直徑6mm，甲烷與空氣之間的絕緣陶瓷最大直徑為4mm。 激勵(lì)器陰極、陽(yáng)極下端最窄處距離為2mm，當(dāng)向滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器通入高純甲烷和高純空氣后，通過(guò)交流高頻電源向電極供電，電極間隙最窄處將會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧在甲烷/空氣射流的吹動(dòng)下向上滑動(dòng)，形成滑動(dòng)弧，同時(shí)滑動(dòng)弧也會(huì)點(diǎn)燃射流氣體，使甲烷燃燒，形成甲烷/空氣正擴(kuò)散火焰，并對(duì)火焰產(chǎn)生助燃作用。

圖2 滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擴(kuò)散火焰燃燒特點(diǎn)

保持甲烷流量為3L/min， 高純空氣流量分別為0L/min、1L/min、2L/min、3L/min 和4L/min，點(diǎn)燃甲烷與空氣射流，形成的甲烷/空氣正擴(kuò)散火焰如圖3 所示，可以看出，隨著空氣流量的增加，甲烷正擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度逐漸減小，當(dāng)空氣流量增加到3L/min 時(shí)， 甲烷擴(kuò)散火焰底部會(huì)抬升，并且開(kāi)始趨于熄滅， 實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)空氣流量增加到5L/min時(shí)，火焰熄滅。

圖3 不同空氣流量下擴(kuò)散火焰燃燒圖像

2.2 定常模式下空氣流量對(duì)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒影響

保持甲烷流量為3L/min，調(diào)節(jié)空氣高壓氣瓶，使空氣流量分別為5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，調(diào)節(jié)交流高頻電源電壓調(diào)壓器和頻率調(diào)節(jié)旋鈕， 使電源電壓峰峰值為9KV，頻率為5KHz，并保持電壓、頻率不變，此時(shí)使激勵(lì)器陰極陽(yáng)極之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)弧， 滑動(dòng)弧會(huì)點(diǎn)燃甲烷/空氣射流氣體。 甲烷燃燒正擴(kuò)散火焰如圖4 所示；甲烷燃燒會(huì)生成CH 基（431nm）[15]，使用光譜儀對(duì)每種工況下甲烷/空氣正擴(kuò)散火焰進(jìn)行光譜診斷，在光譜儀測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)中找到波長(zhǎng)在431nm 處CH 基相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度，可用來(lái)反應(yīng)甲烷燃燒，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 非定常模式不同占空比下CH 基相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度

通過(guò)圖4、圖5 可以看出，保持甲烷流量不變，空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 甲烷正擴(kuò)散火焰高度從33.5cm 降低到24.4cm，CH 基 （431nm） 相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度從1113a.u.unit 增加1388a.u.unit。這說(shuō)明滑動(dòng)弧等離子體擊穿空氣會(huì)生成CH 基 （431nm）， 點(diǎn)燃無(wú)法穩(wěn)定燃燒的甲烷/空氣射流，并使之穩(wěn)定燃燒，增大空氣流量會(huì)降低甲烷/空氣擴(kuò)散火焰高度，但同時(shí)也可以促進(jìn)CH 基（431nm）生成。

圖4 定常模式不同流量下擴(kuò)散火焰燃燒圖像

圖5 不同流量下CH 基相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度

2.3 非定常模式空氣流量對(duì)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持電源電壓和頻率不變， 調(diào)節(jié)交流電源數(shù)字脈沖調(diào)節(jié)器，使脈沖放電頻率為50Hz，放電占空比為50%，調(diào)節(jié)甲烷高壓氣瓶，保持甲烷流量為3L/min，調(diào)節(jié)空氣高壓氣瓶， 使空氣流量分別為5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，使用數(shù)碼相機(jī)和光譜儀對(duì)火焰測(cè)量，結(jié)果如圖7 所示。 通過(guò)圖5、圖7 可以看出，在非定常模式下，滑動(dòng)弧也可以點(diǎn)燃甲烷/空氣射流，隨著空氣流量從5L/min 增加到9L/min，甲烷正擴(kuò)散火焰高度從38.5cm 降低到23.7cm，CH 基（431nm）相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度從867a.u.unit增加901a.u.unit。 這對(duì)甲烷/空氣擴(kuò)散火焰來(lái)說(shuō)，保持甲烷流量不變，增加空氣流量，會(huì)降低火焰的高度，但會(huì)使甲烷燃燒產(chǎn)生更多的CH 基（413nm），與定常模式相比，非定常模式下CH 基（431nm）生成減少。

圖7 非定常模式不同空氣流量下擴(kuò)散火焰燃燒圖像

2.4 非定常模式下占空比對(duì)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持電源電壓和頻率不變， 調(diào)節(jié)甲烷高壓氣瓶和空氣氣瓶，保持甲烷流量為3L/min，空氣流量為5L/min，調(diào)節(jié)交流電源調(diào)節(jié)數(shù)字脈沖調(diào)節(jié)器， 使脈沖放電頻率為50Hz，電源放電占空比分別為10%、30%、50%、70%和90%，使用數(shù)碼相機(jī)和光譜儀對(duì)火焰測(cè)量，結(jié)果如圖8 所示。 通過(guò)圖6 和圖8 可以看出，在非定常模式下，電源放電占空比從10%增加到90%，滑動(dòng)弧均可點(diǎn)燃甲烷/空氣射流，并使穩(wěn)定燃燒， 火焰高度從30.7cm 增加到34.9cm，CH 基從314a.u.unit 增加到1102a.u.unit， 這說(shuō)明占空比的增加可以促進(jìn)CH 基（431nm）生成，并且使火焰燃燒更加充分。

圖8 非定常模式不同占空比下擴(kuò)散火焰燃燒圖像

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化擴(kuò)散火焰燃燒實(shí)驗(yàn)， 研究了滑動(dòng)弧等離子體在定常和非定常兩種放電模式下，對(duì)甲烷/空氣射流氣體點(diǎn)火助燃的研究。 通過(guò)數(shù)碼相機(jī)對(duì)擴(kuò)散火焰形態(tài)的拍攝，光譜儀對(duì)CH 基（431nm）的測(cè)量可以得出以下結(jié)論：

對(duì)甲烷/空氣擴(kuò)散火焰來(lái)說(shuō)，在甲烷流量不變的情況下，增大空氣流量，火焰高度會(huì)下降，當(dāng)空氣流量增加到一定極限時(shí)，火焰底部會(huì)抬升，繼續(xù)增加空氣流量，火焰會(huì)熄滅，滑動(dòng)弧等離子體可以重新點(diǎn)燃熄滅火焰，并能使甲烷/空氣射流穩(wěn)定燃燒。

在定常放電模式下，保持甲烷流量不變，將空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 擴(kuò)散火焰高度會(huì)降低，但CH 基（431nm）生成會(huì)增加，增加空氣流量會(huì)使甲烷反應(yīng)生成更多CH 基。

在非定常放電模式下，保持甲烷流量不變，將空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 擴(kuò)散火焰高度也會(huì)降低，CH基（431nm）生成也會(huì)增加；保持甲烷和空氣流量不變，將電源占空比從10%增加到90%，火焰高度和CH 基（431nm）均會(huì)增加，并且CH 基生成增加較多。