甲烷-空气混合气体放电等离子体增强点火机理分析

为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果,针对脉冲式放电,本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算,计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程,甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加,各个过程碰撞截面的变化并不单调,均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时,甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小,相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基,不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中,随着放电,振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行,在10-8s~10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子,在大多数点火温度下,可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。     

煤油及其替代燃料点火延迟特性实验研究

为研究煤油的点火特性,在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号,分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100~1800K,压力为0.1MPa,反应当量比为0.5,1.0,1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料,在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低,煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短,点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。     

活性自由基对煤油裂解气点火延迟时间的影响分析

为研究活性自由基对煤油裂解气点火延迟时间的影响,使用CHEMKIN软件,研究了激波管实验系统中不同温度下煤油裂解气的点火延迟时间,对比文献实验结果,验证了计算模型的可靠性。研究了在初始组分中加入不同浓度的活性自由基对于煤油裂解气点火延迟的影响,分析了反应式对于温度以及活性自由基的敏感性。研究结果表明,1000K时,加入0.5%的O,CH或NO活性自由基可将点火延迟时间缩短将近1/10。当初始温度升高时,活性自由基对于点火延迟时间的缩短效果越来越不明显。在2000K时,活性自由基对于点火延迟时间的影响可以忽略不计。随着初始温度的升高,2000K时,反应机理中的化学反应式对于温度敏感性以及活性自由基的敏感性下降为1000K时的1/1000以下。随着初始温度的变化,对温度及活性自由基敏感性较大的反应式也会发生非常大的变化。多个反应式在温度敏感性与活性自由基敏感性最大反应式中重复出现,这些反应式是将反应机理简化的重要依据。初始温度变化,化学反应的主要流程与路径也会发生变化。     

空气等离子体射流点火器特性实验研究

为了研究等离子体射流点火提升燃烧室内可燃混合气点火性能的机理,利用建立的实验测量系统,实验研究空气等离子体射流点火器的放电特性和射流特性,并与电火花点火器对比研究在航空煤油/空气混合气中的点火过程。实验结果表明,该空气等离子体射流点火器的击穿电压为9.2k V;相同电压下,电弧电流随工作介质流量的增大而减小,随点火驱动电源输出电流的增大而增大;点火器的伏安特性为下降型;等离子体点火射流长度随点火驱动电源输出电流的增大而增长,随工作介质流量的增大,先增长后缩短;来流速度对等离子体点火射流产生较大影响;等离子体射流点火延迟时间小于电火花点火。     

航煤裂解气低温自点火特性与等离子体助燃研究

为获得燃料低温自点火特性以及等离子体对燃料点火的促进作用,基于快速压缩机实验系统,研究了52％He稀释、当量比1.0、压力3.4MPa、温度877.7～915.9K条件下,航煤裂解气(29.4％CH4/30.8％C2H6/21.3％C2H4/18.5％C3H6)的自点火特性,并获得其点火延迟时间.在此基础上,采用放电与...     

固体推进剂等离子体点火研究

为了研究等离子体对固体推进剂点火性能的影响，分别对双基药和硝胺药等两种固体推进剂，进行了等离子体点火实验。实验装置包括等离子体源、热电偶丝和动态信号分析仪。通过实验，获得了两种固体推进剂在不同的等离子体能量输入的条件下，其表面温度随时间变化的曲线。与常规点火数据相比，固体推进剂的等离子体点火延迟时间明显缩短。不同类型的固体推进剂，在相同的等离子体能量输入条件下，其点火性能不同；同一种类型的固体推进剂，在不同的等离子体能量输入条件下，其点火性能也不一样。     

非平衡等离子体对甲烷点火和火焰传播影响的机理分析

为了探讨非平衡等离子体对甲烷点火和火焰传播速度影响,采用化学动力学模型GRI-Mech3.0,利用零维、均质、完全混合模型和火焰传播速度模型,对甲烷点火过程和火焰传播过程进行数值模拟,计算得到了非平衡等离子体生成自由基(O自由基和NOX自由基)对甲烷点火延迟时间和火焰传播速度的影响规律。结果表明:当分别加入0.5% O和0.5% NOX活性基时,点火延迟时间减少了约94.7%,63.1%(加入NO)和94.2%(加入NO₂)。通过反应路径分析和敏感度分析,揭示了非平衡等离子体生成自由基影响甲烷点火和火焰传播速度的化学反应机理。      

阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究

为进一步优化等离子体射流点火器的结构,提高点火器的工作性能,在自主设计的等离子体点火实验系统的基础上,开展了阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究,选取的阳极通道长度为3mm,5mm和7mm。获得了等离子体射流点火器的放电特性、光谱特性、射流特性和点火特性。结果表明:增大阳极通道长度能够抑制电弧分流的幅度,减小电极的烧蚀面积,但提高了击穿电压,使引弧更加困难;随着阳极通道长度的增大,氮分子离子的转动温度和振动温度分别呈现出先升高后降低和先降低后升高的变化趋势;煤油/空气混合气的点火延迟时间随阳极通道长度的增加,呈现出先减小后增大的变化趋势,余气系数为1.43时,阳极通道长度5mm时的点火延迟时间为14.4ms,相对于阳极通道长度3mm,7mm下的点火延迟时间分别减小了21.1%,12.1%。     

NEPE推进剂激光点火特性

采用CO2激光点火系统，研究常压下NEPE推进剂中AP在点火过程中的作用，以及AP的表面积，燃速催化剂，初温，热流密度等因素与点火延迟时间的关系，结果表明：与HMX相比，AP是缩短点火延迟时间的主要因素，初温对点火延迟时间的影响程度取决于热流量的大小，存在着所谓的“拉平效应”。而降低AP粒度，提高AP表面积，在初温大于15℃时，有利于缩短点火延迟时间，而在小于15℃时则相反，适当的添加燃速催化剂也有利于缩短点火延迟时间。     

脉冲等离子体推力器点火可靠性试验研究

为了得到PPT点火可靠性表征参量的内在联系及放电能量对其影响规律,开展了传统PTFE与掺碳PTFE两种工质的可靠性试验研究,通过记录点火故障率和分析放电延迟时间,得到了不同工质PPT的点火可靠性,为PPT点火可靠性分析提供了新的研究思路。研究结果表明:在不同放电电压下,PTFE工质PPT放电延迟时间随点火次数增加的变化规律明显不同。放电电压为1kV时,放电延迟时间在1μs～15μs内变化,在初始阶段时明显增加,然后在波动中上升,并伴随有点火故障发生;放电电压为1250V和1500V时,放电延迟时间在1μs～5μs之内波动,且没有点火故障发生。两种工质的放电延迟时间均随点火故障率增加呈非线性规律变化,掺碳PTFE的放电延迟阈值与放电电压之间呈指数函数规律变化。     

RP-3航空煤油着火特性的实验

在化学激波管中利用反射激波着火,采用壁面压力与OH自发光作为着火指示信号,测量了着火温度范围为1100~1600K,压力为0.1,0.2,0.3MPa,当量比为0.5,1.0,1.5时RP-3航空煤油/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,分析了着火温度、压力以及当量比对混合气着火延迟时间的影响,并拟合得到了不同压力与当量比下混合气着火延迟时间的Arrhenius关系式.结果表明:在不同压力与当量比下,混合气的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,同时,随着着火温度与压力的升高以及混合气当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短.      

低温等离子体放电区长度对点火起爆的影响

为了研究低温等离子体放电区长度,即放电区间隙不变,体积大小对脉冲爆震发动机点火起爆的影响,以丙烷为燃料,空气和纯氧为氧化剂,充分考虑其详细的化学反应动力学机理,将低温等离子体放电区等效为高温高压火核,对放电区长度为20,40,60mm三种结构,利用Fluent软件,对点火起爆过程进行数值模拟,并进行对比分析.结果表明:将低温等离子体放电区等效为高温高压火核是可行的,能够得到完整的点火起爆过程;不同放电区长度,对初始火焰形成、火焰传播速度和缓燃转爆震(DDT)时间有很大影响,对爆震波峰值压力影响不大.      

中心分级燃烧室变频变能点火性能试验

对中心分级燃烧室常温常压下变频变能点火性能进行了试验研究,点火能量为1~15J,点火频率为1~15Hz,燃烧室压降1.5%。结果表明:随着点火能量增大,贫油点火余气系数先迅速增大后缓慢增大,点火延迟时间先急剧缩短后缓慢缩短,随点火频率增大,贫油点火余气系数缓慢增大,点火延迟时间先迅速缩短后缓慢缩短,点火能量较低时该规律更为显著；当点火功率大于35W时提高点火功率对提高点火性能意义不大,点火能量对点火性能的影响较点火频率更为显著,相同功率下提高点火能量对点火更有利；基于Lefebvre、王延胜等人的点火模型,拟合了中心分级燃烧室关于燃烧室参考速度、索太尔平均直径、点火能量和点火频率的点火模型,模型预测误差在±10%以内。      

Experimental investigation of a gliding discharge plasma jet igniter

Relight of jet engines at high altitude is difficult due to the relatively low pressure and temperature of inlet air. The penetration of initial flame kernel affects the ignition probability in the turbine engine combustor greatly. In order to achieve successful ignition at high altitude, a deeper penetration of initial flame kernel should be generated. In this study, a Gliding Arc Plasma Jet Igniter(GAPJI) is designed to induce initial flame kernel with deeper penetration to achieve successful ...     

Comparison of autoignition characteristics of n-heptane, methylcyclohexane and toluene

The autoignition characteristics of three C7 hydrocarbon fuels,n-heptane,methylcyclohexane and toluene,were comparatively investigated.Ignitions were performed behind the reflected shock waves in a shock tube.The ignition delay times of these fuels were measured at the same igintion conditions with constant fuel mole fraction of 1.0%,equivalence ratio of 1.0,ignition pressure of 1.0×105 Pa(one more 2.0×105 Pa for n-heptane)and temperatures of 1 166-1 662 K.The correlation formula of ignition delay dependence of three fuels on igintion conditions was deduced separately.Results show that the ignition delay time of n-heptane is the shortest while that of toluene is the longest at the same ignition conditions.The ignition delay time of methylcyclohexane is most sensitive to the temperature while that of n-heptane is the least.The comparison of current ignition delay times with the predictions of available chemical kinetic reaction mechanisms has been presented to validate the reliability of mechanisms.The important chemical reactions during the ignition process have been obtained from the sensitivity analysis.     

预燃式等离子体射流点火器工作特性实验研究

为解决发动机点火包线小于飞行包线的实际问题,提供等离子体点火技术在航空发动机中的工程应用新思路,论文设计了一种预燃式等离子体射流点火器,实验研究了放电特性和射流特性。结果表明,预燃式等离子体射流点火器与空气等离子体射流点火器相比,在提升射流能量降低电源功率方面有着较大的优势,电流相同时通入甲烷在较大流量时可减小驱动电源功率,总流量为44L/min时,减幅可达14.99%;同时预燃式等离子体射流较空气等离子体射流稳定,且射流长度增加,扩大了点火面积,有利于点火。     

加力燃烧室热射流点火的燃油自燃规律研究

为了分析燃油在高温高速气流中自燃延迟时间与燃气流动速度、燃气温度、喷油量等的关系,通过模拟试验,开展了热射流点火的燃油在高温高速气流中自燃规律的研究,经分析得出:气流温度对自燃有明显影响,在模拟的范围内存在1个自燃温度临界点(1160 K);气流温度、气流压力的升高使自燃延迟距离和延迟时间减小;气流速度的增大使自燃延迟距离增加。研究结果为航空发动机加力燃烧室的热射流点火系统和供油系统等的设计提供初步试验依据。     

硼颗粒聚团着火过程研究

针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒聚团的着火过程开展了系统研究,考虑硼颗粒聚团内部气相扩散及颗粒聚团与周围环境的传热传质过程,建立了一维硼颗粒聚团着火模型,详细分析了环境总压、环境气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。结果表明:硼颗粒聚团能够在比单颗粒硼着火温度更低的环境温度下实现着火,且着火温度随聚团半径、氧气摩尔分数的增加而降低,随环境总压、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径的增加而增大;硼颗粒聚团着火延迟时间随环境气体温度、氧气摩尔分数和颗粒聚团孔隙率的增加而减小,随硼颗粒粒径的增加而增大。在较高的环境总压下,硼颗粒聚团的着火延迟时间随环境总压增加而增大。     

等离子体射流作用下光壁面超声速燃烧室点火试验研究

针对光壁面超声速燃烧室的点火需求，利用中心嵌入式等离子体射流在模拟马赫数6，总温1860K的直连式试验台上实现了煤油燃料的可靠点火和稳定燃烧，研究了超声速燃烧室起动过程中等离子体建立与维持特征，获取了不同当量比下火焰传播与燃烧特性。试验表明：在自身工质的高压射流维持下，等离子体点火器可以在点火起动的不同压力变化环境中保持稳定；中心等离子体射流产生一定尺度的高温区域且含有丰富的自由基，但需要在恰当的中心喷油流量形成的混气当量比下产生等离子体诱导火焰；诱导火焰沿燃烧室轴向传播进而发展形成了稳定的超声速燃烧。