高氣壓下交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電特性實驗研究*

張磊 于錦祿2)3)? 趙兵兵 陳朝 蔣永健 胡長淮 程惠能 郭昊

1) (中國人民解放軍空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,西安 710038)

2) (西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院,西安 710003)

3) (中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院,成都 610599)

4) (陸軍航空兵研究所,北京 101121)

本文針對惡劣條件下滑動弧等離子體放電穩(wěn)定性問題,搭建了高氣壓交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實驗系統(tǒng),開展了高氣壓下交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電特性實驗,并對其放電特性、電弧運動特性、光譜特性進行了分析.研究結(jié)果表明:隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,滑動弧放電的電壓、電流、能量均呈現(xiàn)增大趨勢,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.52 MPa 時,滑動弧放電的能量從常壓下的84.74 J 增大到147.13 J;且隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,電弧的擊穿頻率并不是單調(diào)變化,而是在0.2 MPa 時達到最大為26.55 kHz;高氣壓下電弧運動過程中會出現(xiàn)“弧道驟變”現(xiàn)象;隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,滑動弧放電的整體光譜發(fā)射強度呈現(xiàn)變強趨勢;通過兩譜線法對滑動弧放電的電子激發(fā)溫度進行了計算,常壓下滑動弧放電的電子激發(fā)溫度為0.8153 eV,隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,電子激發(fā)溫度呈現(xiàn)升高趨勢,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力達到0.4 MPa 時,滑動弧放電的電子激發(fā)溫度升高至5.3165 eV.

1 引言

滑動弧放電是由Lesueur和Czernichowski[1]提出來的,其工作原理是,在強電場激勵下,兩電極間產(chǎn)生的電弧在氣流驅(qū)動下沿電極滑動,并周期性地進行擊穿-拉長-熄弧-再擊穿的循環(huán)過程[2].滑動弧作為非平衡等離子體的典型代表,同時兼具低溫等離子體能耗低、效率高、化學(xué)選擇性強和高溫等離子體能量密度高、處理量大的優(yōu)點[3].此外滑動弧放電具有電極結(jié)構(gòu)簡單、電極壽命長的特點[4],因此滑動弧等離子體被廣泛應(yīng)用于解水制氫[5]、殺菌消毒[6]、污水處理[7]和污染物降解[8]等領(lǐng)域.由于滑動弧放電過程中會產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)粒子、活性基團,可以提高化學(xué)反應(yīng)速率、加快化學(xué)反應(yīng)進行,因此滑動弧等離子體還被用在強化燃燒領(lǐng)域[9].

滑動弧等離子體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V、優(yōu)點突出,專家學(xué)者對其開展了大量的研究工作.針對二維滑動弧,何立明等[10]研究了電極擴張角、空氣流量對滑動弧放電特性的影響規(guī)律;Sun 等[11]對滑動弧的電弧運動模式進行了分析;杜長明等[12]研制出用于廢水處理的氣液滑動弧等離子體,將滑動弧等離子體應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域.由于二維滑動弧的電極結(jié)構(gòu)限制了滑動弧的作用區(qū)域,并且二維滑動弧與介質(zhì)氣體的相互作用時間較短,限制了二維滑動弧在工程中的應(yīng)用.因此,把滑動弧放電的結(jié)構(gòu)從二維發(fā)展到三維,將極大地提高滑動弧的處理能力并將推動滑動弧的工程化應(yīng)用.針對三維旋轉(zhuǎn)滑動弧,魯娜等[13]對其放電特性進行了闡述;Chen 等[14]對電弧滑動模式進行了深入地分析;Wu 等[15]對大氣壓氬環(huán)境中的滑動弧光譜特性進行了研究,并對其振動溫度和電子密度進行了計算.在數(shù)值仿真方面,汪宇等[16]對滑動弧的放電特性進行了數(shù)值模擬,模擬得到的電弧軸心溫度可以達到5700—6700 K;Kolev和Bogaerts[17]通過數(shù)值模擬的方法研究了滑動弧放電過程的擊穿機理,并研究了不同電流條件下電弧傳熱機理的差異.在點火助燃方面,張磊等[18]研究了滑動弧對燃油霧化的影響規(guī)律,結(jié)果表明滑動弧等離子體有助于減小燃油的SMD(燃油噴霧索太爾平均直徑)值;Liu 等[19]在小型低排放(DLE)燃燒器上開展了滑動弧對火焰結(jié)構(gòu)的影響研究,結(jié)果表明,滑動弧在火核發(fā)展和火焰的穩(wěn)定過程中起重要的作用.上述研究為滑動弧等離子體的工程化應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ),開拓了大量的原創(chuàng)性成果,為后續(xù)滑動弧等離子體的研究與應(yīng)用提供了借鑒,但是滑動弧等離子體應(yīng)用范圍寬廣,其放電環(huán)境也是復(fù)雜的;滑動弧等離子體在惡劣環(huán)境中,尤其是高氣壓環(huán)境中的放電穩(wěn)定性問題鮮有研究.

惡劣環(huán)境中滑動弧等離子體放電穩(wěn)定性問題是關(guān)系到滑動弧等離子體工程化應(yīng)用的重要問題[18],尤其是航空發(fā)動機燃燒室中,環(huán)境極其惡劣,高空極端環(huán)境中滑動弧等離子體放電穩(wěn)定性與航空發(fā)動機高空二次點火能力密切相關(guān).因此,本文設(shè)計了適用于航空發(fā)動機燃燒室的滑動弧等離子體激勵器,并開展了高氣壓條件下滑動弧等離子體的放電特性實驗.研究了大氣壓力對滑動弧等離子體放電特性、電弧運動特性、光譜特性的影響規(guī)律,運用兩譜線法對滑動弧放電過程中的電子激發(fā)溫度進行了計算,希望為滑動弧等離子體在高氣壓條件下的應(yīng)用研究提供借鑒,并推動滑動弧等離子體在航空發(fā)動機上的工程化應(yīng)用.

2 實驗系統(tǒng)

2.1 實驗系統(tǒng)組成

高氣壓下交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實驗裝置主要包括氣源系統(tǒng)、電源、高氣壓放電實驗艙體、示波器、高速CCD 相機、三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器及管路系統(tǒng)組成.高氣壓交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實驗系統(tǒng)原理圖如圖1 所示.

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1.Schematic diagram of experimental system.

供氣系統(tǒng)由螺桿式空氣壓縮機(型號:OGFD-42.8/8B,功率250 kW,排氣量42.8 m3/min,排氣壓力0.8 MPa)、儲壓罐、冷干機(型號:LY-D200AH)、內(nèi)錐流量計(DYNZ16-8001E12)、智能流量積算儀等組成,為高壓艙實驗段增壓并提供所需壓力條件下的空氣.實驗過程中,入口空氣流量設(shè)置為0.0435 kg/s.

高氣壓滑動弧放電等離子體激勵電源為南京蘇曼等離子體科技有限公司生產(chǎn)設(shè)計的CG-10000FG 電源,該電源的輸入電壓380 V,電源調(diào)制頻率為10 —20 kHz,輸出功率為500—3000 VA.實驗過程中為使滑動弧激勵器在所需氣體壓力條件下均能放電成功,將電源頻率設(shè)置為17 kHz.

高氣壓放電實驗艙體由耐壓艙體(體積為:1.05 m3,最大可承受壓力為0.8 MPa)、進氣裝置、排氣裝置、安全閥、壓力表、觀察視窗及管路等組成.三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器直接與艙體內(nèi)進氣管路連接,保證進入高壓艙的氣流全部經(jīng)過三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器.實驗過程中,通過控制進氣裝置的進氣量來保證驅(qū)動滑動弧工作所需的空氣流量,通過控制艙體的排氣量來維持艙體內(nèi)壓力的穩(wěn)定,需要指出的是,本文所有工況均在壓力穩(wěn)定條件下測得.

2.2 測量系統(tǒng)

高氣壓交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實驗過程中采用高速CCD 相機、高壓探針、電流探針、示波器同步采集高氣壓交流旋轉(zhuǎn)滑動弧放電過程中的電壓、電流信號以及電弧圖像運動特征.高速CCD 相機(Mini UX50),能夠提供130 萬像素(1280×1024像素)的圖像分辨率,最高幀率可達到20000 幀/秒,最短曝光時間5 μs,實驗過程中高速CCD 相機采集幀率設(shè)置為10000 幀/秒,曝光時間設(shè)置為100 μs,能夠快速捕捉到滑動弧的運動過程.高壓探針(Tektronix P6015A),用于測量滑動弧放電過程中的電壓信號,電流信號通過電流探針(Tektronix TCP0030)測量.示波器(Tektronix DPO-4104B)與電壓、電流探針連接可同時對放電過程的電壓、電流信號進行采集,實驗過程中示波器采樣頻率設(shè)置為1×108次/秒.需要特別指出的是,實驗過程中,通過外部觸發(fā)器同步觸發(fā)高速CCD相機和示波器,以保證示波器與高速CCD 相機采集的時序性.

三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器的發(fā)射光譜信號通過Avantes 公司生產(chǎn)的四通道光譜儀(AvaSpec-ULS-2048-4-USB2)采集,測量的波長范圍為200—900 nm,最小分辨率達到0.18 nm,積分時間設(shè)置為1000 ms.在光譜信號測量過程中,將光纖探頭固定在三維坐標位移機構(gòu)上,對滑動弧放電區(qū)域的5 個點進行周期性均布的信號采集,以提高實驗的準確度,最后對5次測量結(jié)果取平均值.實驗過程中光纖探頭的測點分布圖如圖2 所示.

圖2 光纖探頭測點位置分布示意圖Fig.2.Distribution diagram of measuring points of optical fiber probe.

2.3 三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器

目前航空發(fā)動機燃燒室存在高空燃油霧化質(zhì)量差、燃燒效率低、點/熄火包線不足的重大現(xiàn)實問題.于錦祿[9]在第三屆全國青年燃燒學(xué)術(shù)會議上,首次提出將滑動弧與航空發(fā)動機燃燒室頭部相結(jié)合的概念,并驗證了滑動弧等離子體在提高航空發(fā)動機點火能力、拓寬航空發(fā)動機穩(wěn)定燃燒范圍等方面存在明顯的優(yōu)勢.因此,本文設(shè)計了適用于航空發(fā)動機燃燒室的三維旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體激勵器,其原理圖如圖3 所示,三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器主要由陰極燃油噴嘴、陽極文氏管、旋流器、喇叭口組成.陰極燃油噴嘴和陽極文氏管之間的最小擊穿距離為10.9 mm,陽極文氏管出氣角為37°,陽極文氏管通過高壓電纜接入高壓交流電,陰極燃油噴嘴與燃燒室火焰筒共地.陽極文氏管與陰極燃油噴嘴在強電場的激勵下產(chǎn)生等離子體電弧,在旋流器旋轉(zhuǎn)氣流的作用下形成三維旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體放電.經(jīng)過燃油噴嘴初步霧化的燃油,全部經(jīng)過滑動弧放電區(qū)域,一方面滑動弧等離子體促進了燃油的霧化裂解,另一方面滑動弧放電過程中產(chǎn)生的活性粒子在旋流器的作用下與霧化的燃油進行充分的摻混,同時在滑動弧等離子體放電的高溫升作用下完成航空發(fā)動機燃燒室的點火,實現(xiàn)航空發(fā)動機燃燒室的點火助燃一體化,改善燃燒室的燃燒性能.

圖3 三維旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.Structure diagram of 3D rotary sliding arc actuator.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 滑動弧放電模式分析

大氣壓(0.1 MPa)條件下通過數(shù)碼相機記錄了滑動弧放電過程中的兩種不同狀態(tài)下的放電圖像,如圖4 所示.圖4(a)和圖4(b)中的圖像均是由同樣拍攝條件下得到的四張照片拼接而成,從滑動弧放電圖像中可觀察到兩類照片中的電弧存在較大的差異.在圖4(a)中的電弧整體呈藍紫色,每根電弧的亮度較高,形態(tài)清晰可辨,相鄰兩電弧的形態(tài)較為相近,能直觀地體現(xiàn)出電弧擊穿的過程.而圖4(b)中的照片,電弧顏色以橘紅色為主,電弧形態(tài)模糊難以分辨,但在相機曝光時間內(nèi)照片上清晰地記錄了滑動弧陰極端點在燃油噴嘴上的滑動過程,電弧的文氏管一端也呈現(xiàn)出連續(xù)滑動的特點.

大氣壓(0.1 MPa)條件下滑動弧放電過程中0—40 ms 電壓、電流信號波形如圖5(a)所示.觀察發(fā)現(xiàn)滑動弧放電過程中電壓、電流信號亦呈現(xiàn)出兩種不同的特征,特征Ⅰ:電壓、電流密集出現(xiàn)脈沖尖峰,且電流脈沖峰值的絕對值在1—15 A;特征Ⅱ:電壓呈現(xiàn)逐漸增大的正弦波變化特征,電流變化比較平穩(wěn),電流維持在毫安量級.將電弧運動圖像與電壓、電流信號相結(jié)合,得到圖5(b)和圖5(c),觀察發(fā)現(xiàn),圖5(b)與圖4(a)中的電弧顏色均呈現(xiàn)藍紫色,相鄰電弧均未出現(xiàn)明顯的滑動和伸長.圖5(c)與圖4(b)中電弧顏色均為橘紅色,電弧出現(xiàn)明顯的位移和伸長,何立明等[20]指出,圖4(a)和圖5(b)這種放電模式是電弧處于不斷擊穿的過程中,電弧亮度較高,因此將其定義為擊穿伴隨滑動模式(B-G).而圖5(c)與圖4(b)是電弧處于擊穿之后的滑動、發(fā)展過程,電壓隨電弧的伸長呈逐步增長的正弦波變化,因此將這種放電模式定義為穩(wěn)定滑動模式(A-G).

圖4 兩種不同狀態(tài)下電弧放電的照片 (a) 放電狀態(tài)一;(b) 放電狀態(tài)二Fig.4.Photos of arc discharge in two different states:(a) Discharge state Ⅰ (b) discharge state Ⅱ.

圖5 常壓放電電壓、電流波形圖 (a) 0—40 ms;(b) 22.2—22.5 ms;(c) 24.7—25 msFig.5.Voltage and current waveforms of atmospheric discharge:(a) 0—40 ms;(b) 22.2—22.5 ms;(c) 24.7—25 ms.

為研究介質(zhì)氣體壓力對滑動弧放電模式的影響,將示波器采集到的電壓、電流信號特征繪制成圖6 所示的不同介質(zhì)氣體壓力條件下電壓、電流波形圖.觀察圖6 發(fā)現(xiàn),不同介質(zhì)氣體壓力條件下滑動弧放電的電壓、電流信號仍然會出現(xiàn)前文所述的擊穿伴隨滑動模式(B-G)和穩(wěn)定滑動模式(A-G),但是隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,電壓、電流的脈沖峰值會增加.由圖6(a)可知,大氣壓(0.1 MPa)條件下滑動弧放電的電壓峰值為3—4 kV,電流脈沖峰值在3—10 A.由圖6(c)可知,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.3 MPa 后,電壓峰值達到4—10 kV,電流脈沖峰值達到10—30 A.依據(jù)電子動能公式mv2/2eEλ(式中λ,m和e分別為電子平均自由程、電子質(zhì)量和電子電荷量)可知,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力增加時,單位體積內(nèi)介質(zhì)氣體的密度增加,進而增大了電子和分子碰撞的概率,導(dǎo)致電子平均自由程縮小,因此在相同間距下,需要更高的電壓才能擊穿陰極陽極之間的空氣,產(chǎn)生等離子體電弧.當(dāng)介質(zhì)氣體的壓力繼續(xù)增大,單位體積內(nèi)介質(zhì)氣體的密度變得更高,電子與分子發(fā)生碰撞的概率進一步增大,因此擊穿空氣產(chǎn)生電弧所需的電壓更高.由圖6(e)可得,介質(zhì)氣體壓力增大到0.5 MPa 時,滑動弧放電的電壓峰值達到5—15 kV,電流峰值增大到10—40 A.

圖6 不同氣體壓力條件下電壓電流波形圖 (a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c) 0.3 MPa;(d) 0.4 MPa;(e) 0.5 MPaFig.6.Voltage and current waveforms under different gas pressures:(a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c) 0.3 MPa;(d) 0.4 MPa;(e) 0.5 MPa.

3.2 電弧運動特性分析

為直觀地描述介質(zhì)氣體壓力對電弧運動特性的影響,利用高速CCD 相機拍攝不同介質(zhì)氣體壓力下電弧的運動過程.每隔5 ms 取一張電弧圖像,將不同介質(zhì)氣體壓力下50—85 ms 的8 張運動圖像進行對比,得到圖7 所示不同氣壓條件下電弧運動圖像.

從圖7 可以看出介質(zhì)氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時電弧在剛擊穿時刻(50 ms)長度較短且電弧顏色呈藍紫色,隨著時間的發(fā)展,電弧在氣流的吹動下長度在不斷變長,直到下一次擊穿,此段時間內(nèi)電弧呈橘紅色.介質(zhì)氣體壓力升高之后電弧呈現(xiàn)出與0.1 MPa(大氣壓)條件下不同的現(xiàn)象,從圖7(b)可以看出,介質(zhì)氣體壓力為0.3 MPa 時,電弧在剛擊穿時刻(50 ms)亮度呈現(xiàn)亮白色,隨著時間的發(fā)展,電弧在氣流的吹動下不斷變長且向下游移動,在電弧發(fā)展的過程中電弧亮度變?yōu)樗{紫色,電弧通道(圖像中表現(xiàn)為電弧粗細)明顯變窄(60 ms).觀察圖7 發(fā)現(xiàn),高氣壓下滑動弧放電的電弧亮度均會呈現(xiàn)“亮白色-藍紫色-亮白色”的變化特征,電弧通道呈現(xiàn)“寬-窄-寬”的循環(huán)變化,隨著介質(zhì)氣體壓力的升高電弧亮度變化以及電弧通道變化現(xiàn)象更加明顯.為了更加詳細地分析高氣壓條件下電弧運動過程中呈現(xiàn)出的這一現(xiàn)象,將0.4 MPa條件下滑動弧放電的電壓、電流、電弧運動圖像結(jié)合得到圖8 所示.

圖7 不同氣壓條件下電弧運動圖 (a) 0.1 MPa;(b) 0.3 MPa;(c) 0.4 MPa;(d) 0.5 MPaFig.7.Arc motion image under different air pressure:(a) 0.1 MPa;(b) 0.3 MPa;(c) 0.4 MPa;(d) 0.5 MPa.

從圖8 可以看出,在電弧啟弧階段電弧呈亮白色,且電弧通道較寬,啟弧之后電弧亮度呈現(xiàn)藍紫色,且明顯可以看出電弧通道變窄(2—2.3 ms),隨著時間的發(fā)展電弧長度在氣流的吹動下變長,電弧亮度又變?yōu)榱涟咨?電弧通道再次變寬,依次循環(huán)發(fā)展.結(jié)合圖8 中電壓、電流,分析可知,在電弧啟弧階段電弧在最小的間距下?lián)舸┣掖丝虛舸╇妷狠^高,電子數(shù)量大,電離能力較強,且此時氣壓高單位體積內(nèi)空氣密度較大,瞬間產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)量增多,進而使得電弧亮度較高,電弧通道變寬.電弧啟弧之后,電弧通道形成,此時只需較小的電壓、電流就能維持電弧發(fā)展,電壓變小,陰極發(fā)射的高能電子數(shù)量變少,電離能力變?nèi)?產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)粒子變少,因此電弧亮度變暗,電弧通道變窄.隨著電弧長度的增加,兩極間的電阻變大,擊穿空氣消耗的能量增加,因此維持電弧發(fā)展的電壓逐漸變大,當(dāng)電源輸出電壓不足以維持電弧長度時電弧會暫時息弧,但是上一時刻電弧熄滅后遺留的電弧通道擊穿條件要優(yōu)于最小間距處擊穿條件,因此會在電弧熄滅位置附近重新?lián)舸┊a(chǎn)生新的電弧,此時電壓較高,因此電弧亮度增加,電弧通道又變寬,將高氣壓條件下滑動弧放電過程中出現(xiàn)的這種電弧通道驟變的現(xiàn)象定義為“弧道驟變”.因為“弧道驟變”現(xiàn)象與電壓、電流的變化密切相關(guān),當(dāng)電壓、電流出現(xiàn)脈沖峰值時,電弧亮度較高,電弧通道較寬;當(dāng)電壓、電流無脈沖峰值出現(xiàn)時,電弧亮度較暗,電弧通道變窄;因此,在高氣壓條件下,通過弧道驟變現(xiàn)象可以更加清晰地判斷滑動弧放電所處的模式,進而有助于實現(xiàn)滑動弧等離子體放電的調(diào)控.

圖80.4 MPa 條件下滑動弧運動圖Fig.8.Motion diagram of sliding arc at 0.4 MPa.

3.3 壓力對電弧擊穿頻率、放電模式的影響

對比圖6 發(fā)現(xiàn),隨著介質(zhì)氣體壓力的增大,波形圖中電壓以及電流出現(xiàn)峰值的次數(shù)有所差異,意味著介質(zhì)氣體壓力的變化會對電弧的擊穿頻率產(chǎn)生影響.因此對200 ms 放電時間內(nèi)的電弧擊穿頻率以及電弧放電模式進行統(tǒng)計,得到圖9 所示不同氣壓下?lián)舸╊l率、放電模式.

圖9 不同氣壓下?lián)舸╊l率、放電模式Fig.9.Breakdown frequency and discharge mode under different air pressure.

分析發(fā)現(xiàn),滑動弧的擊穿頻率和放電模式并不是隨著介質(zhì)氣體壓力的變化單調(diào)變化.從圖9 可以看出,常壓下(0.1 MPa)電弧的擊穿頻率為11.9 kHz,擊穿伴隨(B-G)模式占比為35.99%,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高至0.2 MPa 時,電弧的擊穿頻率升高至為26.55 kHz,擊穿伴隨(B-G)模式占比升高至82.25%,滑動弧的擊穿頻率在0.1—0.2 MPa 之間隨著介質(zhì)氣體壓力的升高而不斷增加.這是由于介質(zhì)氣體壓力升高,兩電極間的電阻值增大,電弧與空氣之間的換熱增大,為了維持兩電極間能量的平衡,電弧發(fā)展的路程受限,電弧擊穿頻率升高,電弧處于擊穿伴隨模式下的占比升高.當(dāng)介質(zhì)氣體壓力繼續(xù)升高,電弧擊穿頻率和擊穿伴隨模式占比都會呈現(xiàn)下降趨勢,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高至0.5 MPa時,電弧擊穿頻率下降至14.3 kHz,擊穿伴隨(BG)模式占比下降至55.81%.這主要由兩方面原因?qū)е?一方面氣體壓力繼續(xù)升高,電弧與空氣之間的換熱繼續(xù)增大,電弧的發(fā)展更困難.另一方面由氣體放電的帕邢定律VsminB(pl)min(式中Vsmin為最小擊穿電壓,B為湯森電離系數(shù),p為氣體壓力,l為極間距)可知,介質(zhì)氣體壓力升高,電弧的擊穿電壓變大,因此擊穿產(chǎn)生電弧的時間變長,進而擊穿頻率下降,擊穿模式的占比下降.但是總體來看高氣壓下的電弧擊穿頻率以及擊穿伴隨模式占比要比大氣壓下的高,意味著介質(zhì)氣體壓力的升高會對電弧的生成和發(fā)展產(chǎn)生抑制作用.

3.4 壓力對滑動弧放電能量的影響

本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體激勵器能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動機燃燒室的點火助燃一體化,其放電能量對航空發(fā)動機性能有著重要的影響.因此本文對不同工況下旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體激勵器放電過程的能量進行研究,文獻[14]指出滑動弧放電能量表達式為

式中,E代表放電能量;P代表放電功率;t1,t2分別代表開始和結(jié)束的時間.實際過程中示波器輸出的電壓、電流數(shù)據(jù)是離散點,不適用于(1)式,但是示波器輸出的點足夠多(0.2 s 保存2000 萬個點),因此根據(jù)離散點的積分公式推導(dǎo)出滑動弧放電能量公式為

式中,Pi為i時刻瞬時功率;Pi+1為i+1 時刻瞬時功率,Δt為兩數(shù)據(jù)點之間的時間間隔,應(yīng)用此公式求得大氣壓下200 ms 時間內(nèi)滑動弧放電的瞬時功率和能量如圖10 所示.從圖10 中可以看出,大氣壓條件下旋轉(zhuǎn)滑動弧放電過程中瞬時功率呈鋸齒狀變化,在電弧旋轉(zhuǎn)滑動過程中瞬時功率較小,在0.4 kW 左右,電弧擊穿過程中瞬時功率較大,瞬時功率大約在幾十千瓦,在200 ms 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)滑動弧放電能量為84.74 J.

圖10 常壓下滑動弧放電的瞬時功率和能量Fig.10.Instantaneous power and energy of gliding arc discharge at atmospheric pressure.

200 ms 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)滑動弧放電能量隨介質(zhì)氣體壓力變化如圖11 所示,從圖中可以看出,200 ms時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)滑動弧放電能量隨介質(zhì)氣體壓力的升高總體呈上升趨勢.介質(zhì)氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時滑動弧放電能量為84.74 J,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力增大到0.2 MPa 時滑動弧放電的能量增大到119.65 J,能量增量為34.91 J,放電能量的增加主要是由于介質(zhì)氣體壓力升高改變了滑動弧放電的模式.文獻[14]指出,滑動弧放電過程中,電弧處于擊穿伴隨模式下消耗的能量高于電弧處于穩(wěn)定滑動模式下消耗的能量.由前文分析可知介質(zhì)氣體壓力升高,電弧的擊穿頻率升高,滑動弧放電模式會向擊穿伴隨模式轉(zhuǎn)變.同時,介質(zhì)氣體壓力升高增大了滑動弧放電的電壓/電流,導(dǎo)致滑動弧放電的瞬時功率增大,因此在相同時間內(nèi)電弧放電能量增大.當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.3 MPa 時,滑動弧放電的能量增大到126.04 J,相比于0.2 MPa 時能量增值為6.39 J,能量增值明顯變小.結(jié)合圖9 分析可知能量增值變小的原因是,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力超過0.2 MPa 之后,繼續(xù)升高介質(zhì)氣體壓力,電弧的擊穿頻率以及擊穿伴隨模式占比會呈現(xiàn)下降的趨勢,較大的瞬時功率出現(xiàn)的次數(shù)減少.介質(zhì)氣體壓力高于0.3 MPa 之后,滑動弧放電的能量增長幅度變大,這是由于介質(zhì)氣體壓力繼續(xù)升高,電弧擊穿電壓以及維持電弧發(fā)展的電壓繼續(xù)增大,滑動弧放電的瞬時功率增大,此時瞬時功率增大對能量的影響要高于電弧擊穿頻率對能量的影響,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高至0.52 MPa 時放電能量增大到147.13 J.

圖11 不同氣壓下滑動弧放電能量Fig.11.Discharge energy of sliding arc under different pressure.

3.5 壓力對滑動弧放電發(fā)射光譜的影響

滑動弧放電過程中在強電場激勵作用下會產(chǎn)生大量激發(fā)態(tài)粒子,這些激發(fā)態(tài)粒子在向基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)躍遷時將多余的能量以光子的形式輻射出去,進而形成光譜[20].由于不同粒子的激發(fā)態(tài)能級不同,所以不同粒子的發(fā)射光譜也不同,因此通過對滑動弧放電過程的光譜信號進行分析,即可推測出滑動弧放電過程激發(fā)態(tài)物質(zhì)的種類及其濃度.大氣壓條件下滑動弧放電過程中的發(fā)射光譜如圖12所示.

從圖12 中可以看出,滑動弧放電發(fā)射光譜的譜線與譜帶并存,滑動弧放電發(fā)射光譜主要集中在300—800 nm 范圍內(nèi),且在350—450 nm 范圍內(nèi)發(fā)射光譜較為集中,且發(fā)射強度較高.其中在350—370 nm 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了氮氣分子第二正帶系N2(C2Πu→B2Πg)的發(fā)射光譜,在390.4 nm 處發(fā)現(xiàn)了的發(fā)射譜線,這表明滑動弧放電過程中會產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)氮氣分子以及自由基,這些激發(fā)態(tài)的氮原子對化學(xué)反應(yīng)起著重要的作用.同時在337 nm和777.5 nm 處分別出現(xiàn)了O2和O 的發(fā)射譜線,氧的激發(fā)態(tài)以及氧原子會在燃燒過程中促進燃燒反應(yīng)的進行.在滑動弧放電發(fā)射光譜中還在511.03 nm 處發(fā)現(xiàn)了OH 的發(fā)射譜線,這是空氣中的水蒸氣在強電場激發(fā)下出現(xiàn)的結(jié)果.

圖12 大氣壓滑動弧放電發(fā)射光譜Fig.12.Emission spectra of atmospheric pressure sliding arc discharge.

實驗過程中采集到的不同介質(zhì)氣體壓力條件下滑動弧放電發(fā)射光譜如圖13 所示,由圖分析可得,隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,滑動弧放電發(fā)射光譜整體發(fā)射強度呈現(xiàn)出增強趨勢.處在350—370 nm處的氮氣分子第二正帶系 N2(C2Πu→B2Πg) 的發(fā)射強度呈現(xiàn)減弱現(xiàn)象,但是處在400—500 nm(激發(fā)能為106cm—1量級)范圍內(nèi)的氮原子的激發(fā)態(tài)發(fā)射強度大幅提高.隨著介質(zhì)氣體壓力的升高還會在744.78 nm 處出現(xiàn)氮原子NⅠ(激發(fā)能為96787.680 cm—1)的發(fā)射譜線,且隨著介質(zhì)氣體壓力的升高發(fā)射強度增強,隨著介質(zhì)氣體壓力升高會在794.3 nm (OⅠ)和822.1 nm (OⅠ,激發(fā)能為113294.816 cm—1)處出現(xiàn)氧的不同激發(fā)態(tài)的發(fā)射譜線.對比發(fā)現(xiàn),隨著介質(zhì)氣體壓力升高,分子的激發(fā)態(tài)發(fā)射強度會呈現(xiàn)減弱趨勢,而分子對應(yīng)的原子激發(fā)態(tài)發(fā)射強度增強,尤其是處在低能級的原子激發(fā)態(tài)普遍呈現(xiàn)增強趨勢.這種現(xiàn)象是由于介質(zhì)氣體壓力升高,滑動弧放電的激勵電壓升高,電離能力增強,使得相同空間內(nèi)電子的數(shù)量以及電子所攜帶的能量都相應(yīng)增加,高能電子與空氣中分子碰撞的概率增加,進而將更多的分子電離形成基態(tài),導(dǎo)致基態(tài)的發(fā)射強度升高明顯.

圖13 不同氣體壓力條件下滑動弧放電發(fā)射光譜Fig.13.Emission spectra of sliding arc discharge under different gas pressures.

為詳細分析介質(zhì)氣體壓力對滑動弧放電發(fā)射光譜的影響,選取具有助燃效果的 O2(337 nm),O(777.5 nm),OH(511.03 nm)三種粒子以及對化學(xué)反應(yīng)起促進作用的N 的激發(fā)態(tài)(390.4 nm)進行分析,得到圖14 所示的氣壓對活性粒子發(fā)射強度的影響規(guī)律.

圖14 氣體壓力對活性粒子發(fā)射強度的影響Fig.14.Influence of gas pressure on emission intensity of active particles.

從圖14 中可任意看出,O2(337 nm)的發(fā)射強度隨著介質(zhì)氣體壓力的升高逐漸變小,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力為大氣壓(0.1 MPa)時,O2(337 nm)的發(fā)射強度為5470.6 arb.units,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.4 MPa 時,O2(337 nm)的發(fā)射強度降低到628.2 arb.units.O(777.5 nm)與 O2(337 nm)的發(fā)射強度隨介質(zhì)氣體壓力的變化呈現(xiàn)出完全相反的趨勢,這是由于氧原子的主要產(chǎn)生途徑為[20]

隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,滑動弧放電過程中的激勵電壓升高,陰極發(fā)射的高能電子數(shù)量以及電子所攜帶的能量均增大,高能電子與 O2(337 nm)碰撞的頻率升高,氧分子生成更多的激發(fā)態(tài)的氧原子,導(dǎo)致 O2(337 nm)的發(fā)射強度降低而O(777.5 nm)的發(fā)射強度增強.由于空氣中含有少量的水蒸氣,滑動弧放電發(fā)射光譜中會有OH(511.03 nm)出現(xiàn),OH(511.03 nm)的光譜發(fā)射強度隨介質(zhì)氣體壓力的升高而增強且變化幅度較大.當(dāng)介質(zhì)氣體壓力為大氣壓(0.1 MPa)時OH(511.03 nm)的光譜發(fā)射強度為2066.9 arb.units,隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,單位體積內(nèi)水蒸氣的密度增加,滑動弧放電過程的激勵電壓也在升高,因此電場中電子的密度增加,電子與水蒸氣碰撞的概率變高,進而OH(511.03 nm)的光譜發(fā)射強度增強,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力增大到0.4 MPa 時,OH(511.03 nm)的光譜發(fā)射強度增大到58844.7 arb.units.產(chǎn)生的主要途徑為

3.6 壓力對電子激發(fā)溫度的影響

電子激發(fā)溫度是表征等離子體中粒子和電子碰撞過程的熱力學(xué)平衡狀態(tài)的重要參數(shù),由于滑動弧放電產(chǎn)生的等離子體為非平衡等離子體,認為其局部達到熱力學(xué)平衡狀態(tài),因此原子在能級上的布居數(shù)服從Boltzman 分布:[21]

式中,N1,N2表示高、低能級原子布居數(shù);g1,g2表示高、低能級的統(tǒng)計權(quán)重;E1,E2表示高、低能級的激發(fā)能;kB表示Boltzman 常數(shù)(1.380649×10-23J/K);T表示電子激發(fā)溫度.

對于等離子體發(fā)射光譜而言,原子譜線發(fā)射強度可以表示為

式中,I為譜線發(fā)射強度;h為普朗克常數(shù)(6.62607015×10-34J·s);c為光速,v為發(fā)射光譜譜線頻率;A為上下能級之間的躍遷幾率;N為原子布居數(shù).根據(jù)兩譜線強度計算電子激發(fā)溫度法[22],聯(lián)立(8)式和(9)式可得

進而可得

本文的工作介質(zhì)為空氣,因此在滑動弧放電的發(fā)射光譜中出現(xiàn)大量的N 的激發(fā)態(tài),根據(jù)兩譜線法,選用發(fā)射強度較高的同屬于氮原子的兩條較為清晰的譜線391.9001 nm 以及399.4997 nm 來計算電子的激發(fā)溫度,所需光譜數(shù)據(jù)來源于美國國家標準與技術(shù)學(xué)會網(wǎng)站,列于表1.

表1 氮原子光譜數(shù)據(jù)Table 1.Structural parameters of capillary of different kind of fluid.

通過計算得到不同介質(zhì)氣體壓力條件下滑動弧放電過程中電子激發(fā)溫度如圖15 所示.分析圖15發(fā)現(xiàn),電子激發(fā)溫度隨介質(zhì)氣體壓力的升高呈增大趨勢,介質(zhì)氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時,電子激發(fā)溫度為0.8153 eV,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.4 MPa 時,電子激發(fā)溫度增大到5.3165 eV.在等離子體放電過程中,非彈性碰撞是使基態(tài)原子躍遷到激發(fā)態(tài)的主要原因,電子平均能量的高低主要反映在電子激發(fā)溫度的變化上[23],而電子能量是通過電場加速獲得[24].因此電子激發(fā)溫度的升高可由兩個原因?qū)е?一方面由前文分析可知,隨著介質(zhì)氣體壓力升高,滑動弧放電的擊穿電壓升高,因此激發(fā)出的電子數(shù)量增多,并且等離子體中電子在電場中獲得的初始能量增大;另一方面,電弧擊穿之后,隨著介質(zhì)氣體壓力的升高,維持電弧發(fā)展的電壓增大,兩電極間的電場強度增加,依據(jù)mv2/2eEλ可知,電子在電場中獲得的期望能量增大.因此隨介質(zhì)氣體壓力的升高,電子激發(fā)溫度整體呈增大趨勢.

圖15 氣體壓力對電子激發(fā)溫度的影響Fig.15.Influence of gas pressure on electron excitation temperature.

4 結(jié)論

1) 高氣壓下電弧運動過程會出現(xiàn)“弧道驟變現(xiàn)象”,此現(xiàn)象和滑動弧放電的電壓、電流變化密切相關(guān),因此可以通過高氣壓下“弧道驟變”現(xiàn)象對滑動弧等離子體放電進行調(diào)控.

2) 介質(zhì)氣體壓力升高,電弧擊穿頻率并非單調(diào)變化,由于氣壓升高對電弧的形成和發(fā)展起抑制作用,因此在氣體壓力為0.2 MPa 時,電弧的擊穿頻率達到最大值,為26.55 kHz,隨著氣壓的繼續(xù)升高電弧的擊穿頻率逐漸降低,但是高氣壓下的電弧擊穿頻率要高于常壓下的電弧擊穿頻率.

3) 隨著介質(zhì)氣體壓力升高,滑動弧放電的電壓、電流、放電能量以及光譜發(fā)射強度總體呈升高趨勢;常壓下滑動弧放電過程的能量為84.74 J,當(dāng)介質(zhì)氣體壓力升高到0.52 MPa 后,滑動弧放電的能量增大至147.13 J,滑動弧發(fā)射光譜整體呈現(xiàn)增強趨勢,在強電場的作用下,分子激發(fā)態(tài)更多的被電離為原子激發(fā)態(tài),分子光譜發(fā)射強度有所減弱,原子的光譜發(fā)射強度增強.

4) 運用兩譜線法對滑動弧放電過程中的電子激發(fā)溫度進行計算,常壓下的電子激發(fā)溫度為0.8153 eV,介質(zhì)氣體壓力升高至0.4 MPa 后,電子激發(fā)溫度升高至5.3165 eV.