高温气体LTE模型参数计算方法及其在非平衡电弧射流状态诊断中的应用研究

运用统计力学的方法建立了高温氮氧氩混合气体LYE模型参数计算方法及标准程序(压力：10Pa～10^7Pa、温度：3000K～30000K)，这在国内是没有的。在此基础上，建立了高温气体LYE模型参数测量方法，对电弧等离子体射流的非平衡性质进行了检验，结果表明：电流80A、压力0．027MPa下，亚音速氩射流中心是LYE的，中心之外非平衡效应显著，偏离LYE、但是PLTE的，LYE温度与电子温度相差最大达3000K；电流70A、压力0．00149MPa下，超音速氩射流非平衡效应非常显著，LTE模型温度与电子温度相差最大达5000多K。     

电弧等离子体射流光谱学诊断系统及软件包

本文描述了电弧等离子体射流光谱信号自动化ＣＣＤ测量系统，介绍了自行研制的诊断软件包的功能。我们采用的ＣＣＤ测量系统，数据采集和处理由ＰＣ机实施，其测量速度达到毫秒级，波长分辨率为０．０１ｎｍ，一次测量光谱范围为２２．０ｎｍ。利用该系统对纯氩和氩、氮混合电弧等离子体射流进行了测量，获得了射流的原子和分子光谱谱图。     

非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法：第二部分：氩,氮混合射流

本文是非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法实验研究工作的第二部分，给出了氩、氮混合射流的结果，证明亚声速射流中确有非平衡囊兜现象存在。     

非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响,基于同轴旋流式等离子体喷嘴,采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体,分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究,最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明,AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体,丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似,乙烯等离子体兼具热效应和气动效应,其热效应主要集中在放电核心区域,对射流加热作用微弱,对燃烧的影响可以忽略不计;气动效应显著,主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度,射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升,且在低当量比时较为明显,射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

高频感应等离子体风洞的光谱诊断

建立高频应等离子体风洞在国内是近几年的事情，因此对风洞内等离子体参数的认也刚刚开始，本文论述了利用氩光谱的相对强度法测量高频感应洞的等离子体温度及其分布的原理和装置，并给出了实验结果。     

电弧加热射流O2激光诱导荧光技术温度测量

采用ArF准分子激光器作为激发光源来激励O2-Schumann—Runge带系(B^3∑^-u←X^3∑^-g)193．3nm附近的转动吸收谱线，用紫外光电倍增管探测该带系256nm附近的荧光信号，建立了ArF准分子激光器O2激光诱导荧光流场测试系统。在建立O2单带测温模型和软件的基础上，利用Schumann—Runge带系(10，2)带的荧光信号、测量了氧氩混合电弧加热射流的径向温度分布。结果表明：我们建立的ArF准分子激光器O2-LIF测试系统是成功的。     

斜孔式等离子体合成射流激励器静特性的实验

设计了斜孔式等离子体合成射流激励器,采用电参数测量和高速纹影技术研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验表明:相较直孔式等离子体合成射流激励器,斜孔式等离子体合成射流激励器的射流流动表现出明显的附壁效应和非对称性,这有利于提高射流对流动分离的控制能力。同时,实验中还观察到了浮力对等离子体高温射流流场演化的影响,特别是在射流演化的末期,其诱导的垂向速度分量显著地改变了射流的最终运动方向。      

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。     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性,建立了射频离子推力器整体热模型,基于二维流体模型,对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真,获得了电子温度、电势分布等关键参数;以等离子体仿真结果和实测束电流为输入,获得了各热源的热通量;通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布,与实验结果进行了对比分析。研究结果显示:放电室内电子温度约为3.6eV～3.9eV,等离子体电势最高20V,发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗,温度仿真与实测结果一致性良好,最大误差7%,仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法：第一部分 氩射流

从一般意义上给出了非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法和结果。表明非平衡亚声速电弧加热射流中心是ＬＴＥ的，沿径向形成一非平衡囊兜，囊兜的最深位置约在１／２射流半径处。     

放电发射光谱在金属微弧氧化表面处理中的应用研究进展

液相火花放电现象是金属微弧氧化表面处理时典型特征,发射光谱(OES)技术是表征微弧放电光谱特征和探索微弧氧化机理的有效手段。本文综述了铝、镁、钛等金属微弧氧化过程中发射光谱的研究现状。介绍微弧放电区等离子体的电子温度、电子密度等特征参数计算原理。重点关注了不同金属基体材料、电参数及电解液组成条件下,等离子体放电行为对微弧氧化膜结构的影响规律,并比较不同放电模型的异同。基于OES谱线评估得到的各种金属微弧等离子体温度为3000~10000 K,为放电通道内快速熔化-凝固过程促进陶瓷膜生长机制提供证据。     

基于LIBS研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布

激光诱导击穿光谱（LIBS）是监测燃烧过程关键参数的重要手段之一。为此搭建了LIBS三维可移动实验测量平台,结合等离子体能量和光谱研究了丙烷层流预混火焰的空间结构,得到了不同当量比和不同高度的温度趋势和当量比空间分布。结果表明：本生灯火焰预混燃烧区厚度随高度增加而增加;H、N、O的谱线强度和等离子体能量变化趋势一致,说明粒子体积分数是影响等离子体能量的主因。通过标定H656和N746的谱线强度比值与当量比的关系得到了局部当量比的空间分布。     

超声速气流点火助燃用等离子体火炬的试验研究

对一种用于超声速气流点火助燃的高频率电弧等离子体发生器的工作特性进行了试验研究。首先采用CCD高速相机、光谱分析仪对静止空气条件下的等离子体喷射过程进行了试验,获得了不同种类、不同工作气喷注压力下等离子体射流的活性粒子种类和能量分布特性;其次,采用纹影技术对超声速横向射流条件下的等离子体喷射流场结构进行了分析。研究结果表明,等离子体射流能量集中于等离子体射流的中心轴附近,并且在中心轴下游2cm左右达到了最大衰减。等离子体的喷注压力对等离子体射流的能量分布和光谱特性影响较大。当等离子体的工作介质为N2时,喷注压力由0.3 MPa增大至0.5MPa,等离子体射流具有比较好的能量交换过程。通过光谱分析发现,氮气等离子体的组成是氮原子和氧原子,其强度随着与喷嘴距离的增大而减小,随着工作压力的增大而增大。等离子射流横向喷入超声速流场对主流的阻碍作用导致弓形激波的形成,它能有效促进活性粒子和来流的掺混过程。     

补气式等离子体射流发生器实验研究

提出一种补气式等离子体射流(ASPSJ)发生器,在常规火花放电式等离子体射流(PSJ)发生器腔体上连接单向阀,改善发生器吸气复原阶段的补气量和射流的连续性,以获得能量更高的合成射流。研究了在不同加载电参数下,不同类型单向阀对发生器最大射流速度的优化作用;通过正交实验法确定了补气式等离子体射流发生器的最佳工作电参数,以获得最高的合成射流速度。文中的等离子体射流发生器配以所选择的补气单向阀,最优加载电压频率为150 Hz,幅值为50 kV,占空比为15%。实验结果表明,补气式等离子体射流发生器将最大射流速度提升20%以上,高射流速度的工作频带由单点扩展到100 Hz,以期在应用于流动控制时获得更好的效果。研究成果为后续的主动流动控制的应用研究提供了指导。     

被动型氢原子钟原子跃迁谱线测试与分析

被动型氢原子钟的原子跃迁谱线特性决定了其稳定度指标.为使其稳定度指标达到最优,通过设计数字式测试电路对氢原子钟物理部分进行探测,获得了不同参数配置下的原子跃迁谱线,并通过数据处理分析其信噪比、增益和线宽等特性,提出了一种参数优化方案,为原子钟闭环参数设置提供了依据.     

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10~(18 ) m~(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。     

高背压等离子点火器及其液体燃料点火特性实验研究

航天应用的液体火箭发动机及燃烧型加热器燃烧室室压高、燃料流量大、温度低、有重复启动需求，实现安全可靠点火的难度较大。针对这些需求，研究了一种采用高背压设计的电弧等离子体点火器。实验研究了Ar，N₂气体工质在高进气压力下的伏安特性，发现N₂在宽压力范围内适用于点火。发射光谱分析表明，在高达数MPa的进气压力下，Ar，N₂等离子体射流电子密度符合局部热力学平衡判据（LTE判据），点火能量集中。N₂等离子体整体温度低于Ar，但阳极喷口附近温度高于Ar，N₂等离子体射流火焰长，卷吸沿程空气造成射流平均温度偏低，但有助于低温液体推进剂的蒸发混合和强化点火。等离子体射流引起了臭氧和氮氧化物的形成，具有促进点火和化学反应的作用。背压提高引起电源输出电压升高，提高供气压力和电流，有助于点火器在高背压环境中稳定电压。燃烧型空气加热器燃烧室的点火实验发现，采用N₂等离子体喷注面中心点火，可以在短时间内完成酒精-空气和酒精-液氧-空气的点火，最高燃烧室室压接近5MPa时，点火器仍能稳定工作，多次使用电极烧蚀不明显，在液体火箭发动机的重复可靠点火方面具有很好的应用前景。     

陀螺仪气室中碱金属原子数密度的检测

碱金属原子作为原子陀螺仪原子源的组成部分，其数密度是计算原子陀螺仪工作指标的重要参数。基于碱金属原子对不同激光失谐的吸收程度不同，提出了一种通过拟合碱金属原子吸收光谱得到碱金属原子数密度的测量方案。不同于以往的吸收测量法，该方案针对实际实验温度和气体压强等条件，对吸收谱拟合式进行了修正，从而提高了测量结果的准确度。测量结果与理论计算结果相吻合，两者偏差仅1.2倍左右，并可进一步应用于校准气室内碱金属蒸气的实际温度值。