激光诱导气体等离子体对甲烷火焰稳定性影响的研究

【摘要】：近年来，在航空航天领域，高超声速飞行器技术得到了迅速的发展。超燃冲压发动机目前被普遍认为是高超声速飞行器的最佳动力系统，已经成为世界各国竞相关注的研究热点。如何实现在燃烧室内高效稳定的点火和超声速燃烧，是超燃冲压发动机所面临的难度最大的技术之一。由于传统的稳燃方法无法很好地稳定超燃冲压发动机的火焰燃烧，因此，等离子体稳燃的概念逐渐受到人们的关注。与放电等离子体相比，激光诱导等离子体稳燃方法由于其非接触性、高重频、可在空间任何位置产生等离子体等诸多优点，非常适合于超燃冲压发动机的稳燃。 在分析了目前激光诱导等离子体稳燃方法研究工作中存在的不足之后，提了本文的研究内容，并对激光击穿气体产生等离子体的原理和激光诱导等离子体稳定火焰燃烧的理论模型进行了阐述，确定了实验方案和实验工况。 根据研究内容，搭建了激光诱导等离子体稳燃实验平台，并研究了化学当量比、氧气体积百分比、激光脉冲能量和激光焦点的作用位置等因素对于火焰脱火极限的影响规律。实验发现，化学当量比从0.7变化到1.0时，脱火极限提高率为9.3%变到25%；氧气体积百分比增大到22.2%时，脱火极限可以提高87.4%；脉冲能量增大到1.82mJ时，脱火极限提高了53.8%；激光光束聚焦在离管口3倍管径的高度，火焰依然可以稳定燃烧。这些都充分证明了激光诱导等离子体稳燃方法的可行性和稳燃效果。 通过实验中观测到的自发辐射荧光光谱，确定了在飞秒激光的作用下，产生了O、CH、H、CH_3等活性粒子。利用FLUENT软件，将甲烷燃烧的化学反应与气体流动相耦合，计算了O、CH_3两种活性粒子和激光焦点位置对于火焰稳燃极限的影响，对于激光诱导等离子体稳燃方法的机理有了更深的认识，从机理上验证了此方法的可行性。 【关键词】：飞秒激光 激光诱导等离子体 稳燃极限 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V231.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 等离子体稳燃方法概论9-11
• 1.3 国内外研究现状11-13
• 1.4 本文的研究内容13-14
• 1.5 本章小结14-15
• 第2章 激光诱导等离子体稳燃实验平台15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 实验平台介绍15-22
• 2.2.1 配气系统17-19
• 2.2.2 本生灯燃烧器19
• 2.2.3 激光器系统19-20
• 2.2.4 火焰图像测量系统20-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 激光诱导等离子体稳燃实验研究23-40
• 3.1 激光诱导等离子体稳燃原理23-27
• 3.1.1 激光诱导等离子体原理23-24
• 3.1.2 激光诱导等离子体稳燃原理24-27
• 3.2 实验方案27-28
• 3.3 实验工况28-30
• 3.4 实验结果与分析30-38
• 3.4.1 无激光作用时甲烷预混层流火焰的脱火极限30-33
• 3.4.2 脱火极限随化学当量比的变化规律33-34
• 3.4.3 脱火极限随氧气体积百分比的变化规律34-35
• 3.4.4 脱火极限随激光脉冲能量的变化规律35-37
• 3.4.5 脱火极限随激光焦点位置的变化规律37-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 激光诱导等离子体稳燃数值模拟研究40-59
• 4.1 FLUENT 软件简介40
• 4.2 激光诱导等离子体稳燃数值计算模型介绍40-47
• 4.2.1 几何模型建立及网格划分41-42
• 4.2.2 层流有限速率模型42-44
• 4.2.3 辐射换热模型44-45
• 4.2.4 化学反应机理45-47
• 4.3 激光诱导等离子体稳燃数值模拟研究47-58
• 4.3.1 无激光作用时脱火极限的判定49-51
• 4.3.2 有激光作用时脱火极限的判定51-53
• 4.3.3 稳燃的作用机制53-55
• 4.3.4 O 对甲烷火焰稳定性影响的研究55-56
• 4.3.5 CH_3对甲烷火焰稳定性影响的研究56-57
• 4.3.6 激光焦点位置对甲烷火焰稳定性影响的研究57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读学位期间发表的学术论文65-66
• 攻读学位期间申请的发明专利66-69
• 致谢69

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