為探究低溫等離子體對甲烷/氧反擴散火焰的影響,通過對同軸式噴注器環(huán)縫甲烷射流施加介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生甲烷等離子體,綜合采用多種測量手段實驗研究了多種工況下該低溫等離子體特性及火焰關(guān)鍵參數(shù)的變化。結(jié)果顯示,放電擊穿電壓隨混合比增大而減小,電流脈沖數(shù)量和幅值則隨混合比增大而先增加后減小;甲烷等離子體呈灰白色,低電壓下提高氣體流量則放電有所減弱;受等離子體氣動效應作用,放電后甲烷射流角有所增大,且電壓越高射流角越大,增幅則逐漸減小,過高激勵強度下射流發(fā)生失穩(wěn);等離子體通過改變?nèi)剂虾脱趸瘎┑膿交於绊懠淄?氧反擴散火焰的形態(tài),使得火焰中心高度總體有所下降,特征長度縮短,釋熱強度則有所增加,其中小流量、低混合比條件下作用效果更明顯;噴注器功率則隨混合比上升而先增大后減小。 

【文章來源】：新能源進展. 2020,8(02)

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

甲烷放電圖像

第2期周思引等：低溫等離子體對甲烷/氧反擴散火焰影響的實驗研究95Ud=0kVUd=8kVUd=10kVUd=12kVUd=14kV4CHm=0.4L/min4CHm=0.6L/min4CHm=0.8L/min圖5甲烷放電時噴嘴出口流場紋影圖像Fig.5Schlierenimagesoftheflowfieldabovetheplasmainjector024681012140102030400.4L/min0.6L/min0.8L/minJetangle/°Voltage/kV圖6不同電壓幅值對應的射流角大小Fig.6Jetanglesunderdifferentmagnitudesofdischargevoltage比較相同激勵電壓下氣流速度對射流角的影響，發(fā)現(xiàn)總體上大流量對應大射流角，這可歸因于等離子體通道虛擬“風扇”作用，通過“風扇”的氣流在“扇葉”切割作用下速度具有軸向、橫向和切向三個方向，來流加速則三個分量都增大，因此促進了射流橫向擴張。少數(shù)工況出現(xiàn)不一致變化現(xiàn)象應與放電非定常性有關(guān)。另外，在Ud=14kV下射流的穿透高度明顯有所降低，這可能是過高激勵強度下射流橫向擴展加劇，發(fā)生失穩(wěn)所致。鑒于等離子體噴注器應用目標是發(fā)動機中的火焰穩(wěn)定與助燃，既要促進燃料和氧化劑混合，又要防止射流火焰過于貼近噴射面板引起部件燒蝕，因此在射流寬度和高度上需要權(quán)衡。據(jù)圖5可知，本文條件下Ud=10kV、12kV時等離子體對射流的控制效果較好。另外，與過去研究的空氣射流受放電影響相比[29]，發(fā)現(xiàn)僅在8kV時甲烷射流角為13.5°，略小于空氣射流的14.0°，其余放電電壓下甲烷射流角都明顯大于空氣，又因前文已指出甲烷流量越大，相同電壓下其射流角越大，故推斷甲烷等離子體氣動效應強于空氣。2.3火焰形態(tài)與釋熱對于本實驗，甲烷射流外部被環(huán)境空氣所包圍，其本身又環(huán)繞著氧氣射流，因此完整的火焰結(jié)構(gòu)為內(nèi)外

第2期周思引等：低溫等離子體對甲烷/氧反擴散火焰影響的實驗研究97氣動效應作用下增強了中間甲烷向周圍的擴散，改變了噴嘴出口附近燃料和氧化劑的摻混，使得噴嘴內(nèi)發(fā)生回火，火焰整體下移，然而圖像捕捉的火焰為噴嘴外部部分，使得圖8a表現(xiàn)為釋熱區(qū)高度下降，噴嘴外火焰釋熱強度降低；當M=4.0、8.0和12.0時，火焰釋熱分布在高度上略有增大，強度也有所增加。對于4CHm=1.0L/min，M=1.0時釋熱區(qū)發(fā)生斷層，說明外層火焰反應主要在較高空間，而內(nèi)層火焰反應區(qū)僅存在于噴嘴出口小范圍，在6kV電壓作用下主要釋熱區(qū)中部強度明顯減弱，而釋熱峰值增大了，反映出等離子體對射流的作用范圍能達到較高空間；當混合比M≥2.0時，放電對釋熱分布形態(tài)影響不大，但是均能增大釋熱強度，只是混合比越大作用越弱。(a)M=2.0(b)M=4.0(c)M=8.0(d)M=12.0(e)M=1.0(f)M=2.0(g)M=4.0(h)M=8.0圖8甲烷氧反擴散火焰CH*自發(fā)輻射圖像：（a~d）4CHm=0.5L/min；（e~h）4CHm=1.0L/minFig.8CH*chemiluminescenceimagesofCH4-O2inversediffusionflame:(a-d)4CHm=0.5L/min;(e-h)4CHm=1.0L/min2.3.3火焰特征參數(shù)研究為掌握等離子體對甲烷氧反擴散火焰特征參數(shù)的影響，圖9給出了不同工況下的火焰尺寸、火焰中心釋熱強度及其上下誤差，其中火焰中心高度Hc、特征長度LF及釋熱的定義與獲取方法見文獻[29]。實驗中火焰形態(tài)總體穩(wěn)定，圖9表明誤差在可以接受范圍內(nèi)�？傮w上小流量、小混合比條件下等離子體作用效果更明顯。在所研究的工況中，甲烷流量為0.5L/min、恰當混合時火焰中心高度變化最大，降低幅度達73.4%；對4CHm=0.5L/min的貧燃火焰施加放電后火焰高度略有上升，而混合比越大上升?

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3531379