【摘要】：作為一種新型的點火助燃技術,等離子體助燃在快速加熱氣體、減少點火延遲時間、改善火焰穩(wěn)定性,拓寬燃燒極限,增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?降低污染物排放等方面顯示出了巨大的優(yōu)勢和潛力。為了解等離子體效應與燃燒之間的內在機制,研究人員在開發(fā)先進的實驗平臺、先進的診斷方法、定量實驗數據庫和動力學模型方面做出了大量的努力。但由于等離子體放電時間(以ns為單位)比典型的燃燒時間(以ms為單位)要短得多,因此等離子體強化燃燒動力學模型的建立仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。本文在實驗室已有計算模型的基礎上建立起具有廣泛適用性的準一維等離子體助燃仿真平臺。并協(xié)同搭建實驗臺,通過實驗數據驗證了計算平臺的準確性。主要研究內容如下:(1)將由一組描述不同物質(中性基團、激發(fā)態(tài)粒子和帶電粒子等)數密度的常微分方程、預測混合物溫度的能量方程、Boltzmann方程以及準一維流動方程進行耦合,建立等離子體助燃準一維仿真平臺。物質濃度方程與Boltzmann方程的穩(wěn)態(tài)二項展開式耦合,計算等離子體電子能量分布函數(EEDF)。以實驗橫截面為輸入參數,Boltzmann方程求解器迭代求解EEDF,得到電子碰撞激發(fā)、離解和電離過程的速率常數。然后使用硬極求解器(LSODE)求解上述方程,計算等離子體和熱化學動力學共同作用下,隨反應進行沿反應器流動方向上物質濃度的變化。(2)搭建納秒脈沖放電輔助甲烷裂解/氧化實驗平臺,設計適用于等離子體助燃動力學模型驗證的流動反應器,并進行了實驗研究。實驗結果用于驗證計算平臺的準確性。(3)通過查找文獻獲得等離子體輔助甲烷裂解動力學機理,基于本文構建等離子體助燃平臺,研究了納秒脈沖DBD放電對甲烷裂解的動力學效應。首先對反應過程能量、約化場強、組分濃度和反應路徑進行了研究,之后對比實驗數據驗證計算平臺準確性的同時,研究了不同初始溫度、放電電壓和重復頻率對CH4裂解過程的影響。(4)基于本文構建等離子體助燃平臺,研究了納秒脈沖DBD放電下甲烷氧化動力學過程。首先對單一工況下等離子體輔助甲烷氧化動力學過程進行了研究分析。此后對比實驗數據研究了不同初始溫度、放電電壓和重復頻率對甲烷氧化過程的影響,進一步驗證了計算平臺的準確性。
【圖文】：

Ｔｉｍｅ邋［ｓｅｃ］逡逑邋＝邋６０Ｔｏｒｒ和０＝１．０的空氣和甲烷空氣等離子體中單脈沖放電后生成的氧原爾分數隨時間的變化。Ａｄａｍｏｖｉｃｈ等人模型結果與實驗的對比［４９］。逡逑１邋Ｔｉｍｅ邋ｒｅｓｏｌｖｅｄ邋ｍｏｌｅ邋ｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ａｔｏｍｓ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ａｆｔｅｒ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｍｅｔｈａｎｅ－ａｉｒ邋ｐｌａｓｍａｓ邋ａｔ邋／＊邋＝邋６０邋Ｔｏｒｒ邋ａｎｄ邋＜Ｐ＝邋１．０，邋ｃｏｍｐａｒｅｄ邋ｔｏ邋Ａｄａｍｏｖｉｃｈ邋ｅｔ邋ａｌ．邋ｍｏ述實驗過程并沒有實現(xiàn)熱效應和等離子體效應的去耦研宄，在等過程中會有大量的熱產生，很難確定中間物質的生成是等離子體熱反應的副產物。對此，普林斯頓大學燃燒和推進實驗室的研宄脈沖放電等離子體放電耦合到逆流擴散火焰系統(tǒng)來研究等離子體應。Ｓｕｎ等人［５（）＿５２］通過實驗研宄了等離子體產生的物質對火焰熄滅釋ＣＨ４／０２混合氣擴散火焰中，在氧化劑端施加等離子體放電，誘，利用ＴＡＬＩＦ測量了邋０原子的絕對濃度。結果表明，提高放電頻原子的生成量，并且顯著地提高了薄膜的消光應變率。盡管產生，氧化劑的流動溫度達到９００邋Ｋ以上（低壓￣６０邋Ｔｏｒｒ），才能產生大部分０原子在到達反應區(qū)之前就會被淬滅或復合。為避免淬滅，料添加到氧化劑流中，這樣等離子體中產生的任何活性物質都會

０邐１．０Ｅ－３邐２．０Ｅ－３邐３．０Ｅ－３邐４．０Ｅ－３逡逑Ｔｉｍｅ邋［ｓｅｃ］逡逑圖１－１邋Ｐ邋＝邋６０Ｔｏｒｒ和０＝１．０的空氣和甲烷空氣等離子體中單脈沖放電后生成的氧原子的摩逡逑爾分數隨時間的變化。Ａｄａｍｏｖｉｃｈ等人模型結果與實驗的對比［４９］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｔｉｍｅ邋ｒｅｓｏｌｖｅｄ邋ｍｏｌｅ邋ｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ａｔｏｍｓ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ａｆｔｅｒ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ邋ｐｕｌｓｅ逡逑ｉｎ邋ａｉｒ邋ａｎｄ邋ｍｅｔｈａｎｅ－ａｉｒ邋ｐｌａｓｍａｓ邋ａｔ邋／＊邋＝邋６０邋Ｔｏｒｒ邋ａｎｄ邋＜Ｐ＝邋１．０，邋ｃｏｍｐａｒｅｄ邋ｔｏ邋Ａｄａｍｏｖｉｃｈ邋ｅｔ邋ａｌ．邋ｍｏｄｅｌ，４９］．逡逑但上述實驗過程并沒有實現(xiàn)熱效應和等離子體效應的去耦研宄，在等離子體逡逑助燃反應過程中會有大量的熱產生，很難確定中間物質的生成是等離子體的作用逡逑結果還是熱反應的副產物。對此，普林斯頓大學燃燒和推進實驗室的研宄人員通逡逑過將納秒脈沖放電等離子體放電耦合到逆流擴散火焰系統(tǒng)來研究等離子體的動力逡逑學增強效應。Ｓｕｎ等人［５（）＿５２］通過實驗研宄了等離子體產生的物質對火焰熄滅的影響。逡逑在Ａｒ稀釋ＣＨ４／０２混合氣擴散火焰中，在氧化劑端施加等離子體放電，，誘導０原逡逑子的形成，利用ＴＡＬＩＦ測量了邋０原子的絕對濃度。結果表明，提高放電頻率，可逡逑以提高０原子的生成量，并且顯著地提高了薄膜的消光應變率。盡管產生了大量逡逑的０原子
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK16;O53

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 李勇;沈懷榮;;非平衡等離子體對甲烷點火和火焰?zhèn)鞑ビ绊懙臋C理分析[J];推進技術;2013年11期

2 李勇;沈懷榮;;放電頻率對放電氣體活性粒子濃度演化的影響[J];裝備學院學報;2013年05期

3 杜宏亮;何立明;蘭宇丹;王峰;;約化場強對氮-氧混合氣放電等離子體演化特性的影響[J];物理學報;2011年11期

4 杜宏亮;何立明;丁偉;王峰;于錦祿;;空氣放電非平衡等離子體的模擬計算[J];強激光與粒子束;2011年04期

5 杜宏亮;何立明;丁偉;于錦祿;左紅;;空氣放電等離子體中活性粒子數濃度演化規(guī)律分析[J];高電壓技術;2010年08期

本文編號：2599411