【等离子体辅助燃烧研究的国内外文献综述6000字】

–PAGE28–等离子体辅助燃烧研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u30083等离子体辅助燃烧研究的国内外文献综述 1300961.1.1宽域运行对航空发动机的点火需求 191301.1.2双频等离子体强化点火的机理分析 1231181.2国内外研究现状 2206031.2.1等离子体辅助燃烧的机理研究 2186491.2.2等离子体辅助燃烧的数值模拟 549881.2.3等离子体辅助燃烧的实验研究 628291.3国内外研究现状分析总结 91.1.1宽域运行对航空发动机的点火需求随着任务需求的扩展，极端条件下运行的航空发动机点火遇到了技术挑战。高原上点火的低压环境、海洋上点火的高湿环境、高空熄火再点火的低压低温环境的变化，将导致传统点火器的工作裕度不足。进一步地提高传统点火器（例如火花塞电嘴）的功率，虽然可以扩宽点火的裕度，但技术上会遇到高功率负荷下的电嘴烧蚀问题，其必将降低点火器的工作寿命。同时，航空发动机高空熄火再点火的技术挑战，随着运行高度的增加而更加严峻。高空下（≥20km）空气流压力急剧下降，燃烧室入口的气体压力和密度相应降低，再点火会变得非常困难。低压条件下，燃料与空气将不易于发生反应，同时低压将直接导致燃油雾化不充分等问题。等离子体具有热效应和化学活性效应的综合技术优势，能够有效强化航空发动机的点火性能。为此，本课题拟开展双频激励等离子体辅助燃烧的动力学机理模拟研究。掌握等离子体强化航空发动机点火的主导机理（热效应和化学效应），认识等离子体促进点火的化学反应机制，发展双频激励放电等离子体辅助燃烧技术，获取低压条件下双频激励等离子体点火的策略，进而来拓宽航空发动机的点熄火边界，满足极端工况下可靠点火的技术需求。1.1.2双频等离子体强化点火的机理分析面向宽空域下航空发动机的点火需求，本文提出的双频激励等离子体辅助燃烧技术的关键在于：充分利用等离子体产生热效应、化学效应的特性，采用双频激励等离子体电源分别调控等离子体热效应和化学效应，从这两个维度定量探究等离子体强化点火的内部机理。双频激励电源包括低频直流电源和高频脉冲电源。低频直流电源激励下产生的等离子体主要提供热效应，使得气体温度增加，从而提供点火所需的足够能量；高频脉冲电源激励下产生的等离子体主要提供化学效应，促进自由基等活性粒子的生成，从而有效地促进燃烧反应，使得燃烧速率显著提高。如何实现对等离子体热效应和化学效应的分别控制，这就需要从机理层面研究双频激励源的放电特性，获得放电产生的等离子体中各物质粒子的浓度（化学效应）和放电引起的气体温升（热效应），从而定量表示双频激励参数与等离子体热效应、化学效应之间的对应关系。在此基础上，从化学反应路径层面研究放电产生的等离子体对燃烧进程的推动作用，以认识等离子体辅助燃烧的内部机制。进而，针对低压条件，实施双频调控等离子体热效应和化学效应的策略，实现双频等离子体对低压燃烧的有效促进。本文研究工作对实际运用双频等离子体调控燃烧、实现可靠点火的实验研究具有一定的借鉴意义。1.2国内外研究现状1.2.1等离子体辅助燃烧的机理研究2001年，Starikovskaia等人[1]首次报道了等离子体辅助H2燃烧的动力学理论。O2受到O2+、N2(B)和N2(A)碰撞形成原子O，O原子积累足够并开始与H2反应转化为H和OH。这个过程中，激发态、电离态物质消耗殆尽，并大部分转换为O和H。H与O2和N2三体碰撞产生大量HO2，HO2与O2、OH生成H2O。图1-1等离子体辅助H2燃烧主要反应路径此外，很多研究者通过氢气燃烧实验与模拟的方法了解了等离子体中的基团和NOx促进氢气/氧气反应的内部机制[2-4]。在没有等离子体参与点火时，氢气的点火延迟时间由缓慢的起始链反应H2+O2=HO2+H和H+O2=OH+O决定。加入等离子体产生了大量活性基团，跳过了起始反应H2+O2=HO2+H，并将局部区域温度升至1000K，从而大幅提升反应H+O2=OH+O的反应速率。在极端条件下，例如低温、高压，支链反应H+O2=OH+O会受到抑制，并与终止链反应H+O2(+M)=HO2(+M)平衡，从而达到第二爆炸极限。如果压力进一步升高，则HO2浓度由反应H+O2(+M)=HO2(+M)变得非常高以至于反应HO2+H=OH+OH和H2O2=OH+OH变成将HO2和H2O2生成OH基团主要的支链反应。这三种支链反应导致了在低、中、高气压三种不同的爆炸极限。图1-2展示了这三种爆炸极限[5]以及利用等离子体实现的点火条件[6]。没有等离子体时，随压力变化的三条爆炸极限线由反应H+O2=OH+O，反应H+O2=OH+O和反应H+O2(+M)=HO2(+M)的平衡，HO2和H2O2生成OH的支链反应HO2+H=OH+OH和H2O2=OH+OH决定。加入等离子体时，点火可以发生在温度低于爆炸极限的区域。图1-2爆炸极限线及等离子体实现的点火条件图1-3是不同温度下等离子体点火和燃烧的主要化学反应路径示意图。该图总结了不同温度下大分子碳氢燃料点火时等离子体放电动力学的作用。当温度高于反应H+O2=OH+O的临界温度，反应H+O2=OH+O将大幅加快，此时等离子体辅助点火的热效应占主体。在中低温条件下，等离子体点火促进支链反应H2O2=OH+OH和O2QOOH=RCO+CH2O+2OH的加快，因此化学动力学效应更强。图1-3不同温度下等离子体点火和燃烧的主要化学反应路径示意图自2003年以来，研究者对C1到C5的烷烃在不同压力和温度条件下的等离子体助燃机理做了研究[7-11]。不同烷烃在有无等离子体的点火延迟如图1-4所示。表明促使点火延迟时间大幅缩短的主要原因是O原子的产生。非平衡等离子体能够显著缩短点火延迟时间是因为有大量的O和H，而O在强化点火方面是最有效的。图1-4不同烷烃在有无等离子体的点火延迟2010年，Stancu等人[12]利用CRDS/OES/TALIF观测了N2(A)、N2(B,C)、O2的浓度，认识了激发态N2促进原子O的生成途径，图1-5为N2(A)、N2(B,C)、O2的浓度随时间的变化。图1-5N2(A)、N2(B,C)、O2的浓度随时间变化示意图1.2.2等离子体辅助燃烧的数值模拟2006年，Klimov等[13]同时做了数值模拟和实验研究，探究得出了等离子体作用下，燃料燃烧的点火延迟时间减少，最小着火温度降低的结论。其中，原子O对燃料氧化燃烧过程起作用的途径是：O能够和燃料分子碰撞发生快速反应，致使燃料分子离解的速率更大。对于贫预混燃烧，等离子体对其起助燃作用的关键物质是放电后能长时间存在的稳定活性产物H2、CO，而其他大部分活性粒子没有长寿命，在极短的时间内衰减。2008年，Kosarev等[14]用实验和数值模拟研究了高压纳秒放电作用下甲烷/氧气/氩气混合物的着火动力学。对有放电时的点火延迟时间做了测量，并和无放电时的点火延迟时间做对比。结果显示，在比沉积能量为10～30mJ/cm3的条件下，气体放电能够减小一个数量级的点火延迟时间。对模拟结果的分析表明，非平衡等离子体促进燃烧的主要原因是：放电阶段分子经过电子碰撞解离产生的O和H原子，能使得链式反应迅速发展。2009年，Aleksandrov等[15]数值模拟了混合物CH4:O2:N2:Ar=1:4:15:80的放电。结果表明，放电产生的活性粒子可以使诱导时间缩短两个数量级。放电引发的点火加速是由放电中活性粒子（首先是氧原子）的产生导致的链式反应的快速引发引起的。2011年，杜宏亮等[16]将甲烷/空气混合物在不同电离度下放电，构建非平衡等离子体助燃动力学模型，探究等离子体中对燃烧起主要作用的活性粒子。计算结果表明，活性粒子O、H和OH对CH4/空气混合气燃烧起重要的促进作用。与传统燃烧技术相比，等离子体中的活性自由基加快链式反应的进行，从而提高燃烧速率。此外，等离子体还可以改善燃烧室中的流场分布；促使燃烧更加充分，减少污染物的排放。2013年，方昕昕等[17]通过模拟，研究了空气在大气压下放电产生等离子体对甲烷着火的促进作用，结果表明：放电产生的氧原子和臭氧分子属于长寿命粒子，可以影响到甲烷的点火特性，将点火延迟时间至少降低一个数量级，同时模拟了燃料空气不同当量比情况下和不同初始温度下的点火延迟时间。2014年，张鹏等[18]利用零维等离子体动力学模型和零维均质点火模型，模拟了放电等离子体中的活性粒子对甲烷/空气混合物着火的促进作用，得到了放电产物摩尔分数的时间演化，以及各自由基在着火过程中的时间演化，重点探究了约化场强对放电以及点火延迟时间的影响。结果表明，放电产生的O自由基的摩尔分数最大，对甲烷燃烧点火延迟时间影响最大。2015年，沈双晏等[19]将密度方程、能量传递方程、玻尔兹曼方程耦合，计算得到了脉冲式放电下甲烷/空气混合物放电产生粒子浓度的变化规律以及等离子体对点火的促进作用。结果表明：放电产生的不同活性粒子浓度随时间的变化呈现不同的规律。约化场强是甲烷放电反应的重要影响因素。放电产生的活性粒子可有效促进点火。Nagaraja等[20]模拟研究了脉冲纳秒介质阻挡等离子体放电对正庚烷和空气混合物点火特性的影响。纳秒电压脉冲的交错应用被证明是最佳的，导致点火延迟减少约2倍。在低温下，等离子体通过电子碰撞和猝灭过程产生NO，在促进链支化反应中起着重要作用，有助于缩短约10%的点火延迟时间。北京交通大学的毛兴谦等[21]在0.1Mpa、初始温度1300K条件下，用数值模拟方法研究了纳秒放电对无惰性稀释气体的化学计量比甲烷-空气混合物点火特性的影响。详细分析了在点火过程中起重要作用的氧自由基和氢自由基的路径通量。采用不同的E/N强度和不同的放电时间对放电过程进行了研究。结果表明，1～30mJ·cm-3的沉积能量能显著缩短点火延迟时间。2019年[22]，同时做了数值模拟和实验研究，研究对象是H2、CH4、C5H12，探究了非平衡等离子体对低温下燃料的氧化和裂解以及着火的促进作用。在纳秒脉冲放电条件下，通过化学反应路径分析和敏感性分析，探究了等离子体的振动激发态分子N2（v）促进甲烷/空气混合气着火的途径；将纳秒脉冲和直流组合，探究其放电产生等离子体的激发效应促进甲烷/氧气/氦气混合气在低温下的点火。1.2.3等离子体辅助燃烧的实验研究2005年，Sinibaldi等[23]对瞬态等离子体双电极概念进行了研究和分析，结果表明瞬态等离子体点火系统比传统的火花点火系统更有效。TPI系统显示爆燃到爆轰转变（DDT）距离提高了近20%，DDT时间减少了2.5倍。此外，在使用火花点火系统时火焰通常会熄灭的高流速下，TPI系统能够点燃混合物并有效地引发爆震波。在40Hz以下的重复频率下，起爆成功率大于94%。2007年，Bellenoue等[24]比较了电晕放电与火花塞点火性能，结果表明，电晕放电具有点火效率高、放电能量小的优点。实验证明，电晕点火由于放电量大，放电电极周围产生湍流，促进燃烧，有利于火焰前缘在燃烧室内的传播，从而加快了燃烧速度。研究发现，在放电间隙相同的情况下，电火花和电晕的燃烧时间(获得最大压力的时间)无明显差异。在临界点火条件下，电晕可以实现点火和火焰传播，然而即便更强大的火花放电也不能产生同等效果。图为电晕放电和火花放电时燃烧室压力及压力增长率。图1-6电晕放电和火花放电时燃烧室压力及压力增长率2007年，Charles[25]在脉冲爆震发动机（PDE）中安装了瞬态等离子体点火器，对等离子体作用下JP-10燃料/空气混合物和乙烯/空气混合物的点火特性做了研究。结果显示，等离子体作用下，两种燃料的点火延迟时间都缩短，且JP-10/空气混合物的特征速度为55m/s，乙烯/空气混合物的特征速度为100m/s。(a)瞬态等离子体点火器(b)瞬态等离子体点火器的安装照片图1-7瞬态等离子体点火器及其在PDE中的安装2010年，Hyungrok等[26]将毫微秒脉冲放电与壁腔集成，研究了超音速横流中H2和C2H4射流火焰的点火。结果表明，腔内的脉冲等离子体同时作为热源和自由基的来源，使得混合良好的可燃混合气在短时间内就能着火。图1-8不同流动条件下自燃凹腔火焰和等离子体辅助凹腔火焰中的OH含量2012年，Lefkowitz等[27]成功做了微波等离子体辅助点火系统在小型发动机上的测试。初步结果表明，在微波辅助点火条件下，根据指示平均有效压力的变异系数，将贫燃极限提高了20-30%。最低比油耗发生在空燃质量比为17-20的运行条件下，在此条件下，使用标准火花塞可能有很大的局限性，而微波辅助下可以突破这种局限，获得更大范围的稳定工作条件，这包括了标准火花塞所不能达到的最大的燃料转换效率。2013年，Matsubara等[28]提出了一种将PJ喷管与DBD装置相结合的超声速点火系统。利用该系统首次演示了DBD等离子体在超音速流场中的燃烧强化效果。实验结果表明，在高速流动条件下，需要利用热效应来稳定火焰（功率要大于1.75kW），当等离子体炬有足够的热效应时，非平衡等离子体可以动态地增强火焰在稳定(或熄灭)极限附近的稳定性（在功率大于1.75kW的前提下，随功率增大，DBD对火焰的促进作用也增强，直到功率达到最大4.05kW，即达到了极限）。国内，2002年，靳宝林等[29]总结了国内外等离子体点火技术用于航空发动机的发展情况，介绍了几种等离子体点火器，对等离子体点火技术在航空领域起的作用表示有很高的期待。2006年，宋文艳等[30]将等离子体促进点火运用于低飞行马赫数下的超声速燃烧室中，实验结果表明，由于等离子体带来的能量高，单靠等离子体点火器就能使得煤油成功着火，并且燃烧情况稳定。2010年，兰宇丹、王峰、赵兵兵等[31-33]设计了直流驱动下应用于航空领域的等离子体点火器，实验测得了改变直流电弧电流下的点火器放电特性，发现产生的等离子体射流长度、电子温度都会发生改变。同时，还以空气作为放电介质，设计出直流电弧和交流电弧的等离子体点火器。哈尔滨工业大学的李寄[34]设计了三电极等离子体点火器，实验研究表明在三电极下产生更高电子温度和电子密度的等离子体，从而促进点火。并且在三电极等离子体的作用下，火核扩大，火焰传播速度最多能加快90%。通过调整激励电压和激励电流，可以改变等离子体的助燃特性。张楠[35]实验探究了双源离子体的热特性和化学特性，在双源等离子体的作用下，点火边界拓宽，燃烧整体效率提高，点火效果得到有效的优化。傅文[36]通过实验观察了放电位置的改变对燃烧特性的影响，说明等离子体助燃特性受到空间条件的影响；改变激励参数可以改变放电产生等离子体的强度。2018年，于锦禄等[37]总结了航空发动机中等离子体点火技术的应用，提出预燃式等离子体点火器，该点火器能够使飞行器适应高空等极端条件；介绍了3维旋转式滑动弧点火