kHz重频激光烧蚀等离子体助燃研究

发布时间：2017-09-07 05:39

  本文关键词：kHz重频激光烧蚀等离子体助燃研究

  更多相关文章： 激光烧蚀等离子助燃 吹熄极限 火焰传播速度 纹影技术 发射光谱测温技术

【摘要】：激光烧蚀等离子体助燃技术在提高燃料吹熄极限、增强燃烧稳定性的同时,能够大大降低激光功率需求,对激光等离子体助燃技术的应用具有重要意义。本文针对高重频激光烧蚀等离子体助燃特性参数缺乏、作用机制尚不明确等问题,开展kHz重频激光烧蚀等离子体助燃特性和作用机制研究。首先介绍了激光诱导等离子体助燃技术的研究进展,分析了其在机理和应用研究方面存在的不足,提出了本文的主要研究内容。然后,给出了基于分子发射光谱匹配技术和纹影技术的激光等离子体助燃温度和流场特性研究方法。其次,基于CH基团的发射光谱,研究了Mc Kenna标准燃烧器甲烷-空气平面预混火焰高度2.24mm范围内温度的三维空间分布,验证了该标准燃烧器的空间均匀性。本文测得的火焰锋面温度介于热力学绝热温度和德国宇航中心基于相干反斯托克斯拉曼光谱技术测得的燃尽区的温度之间,验证了基于CH基团发射光谱测温方法的可行性。最后,利用重频1kHz、532nm的Nd:YAG激光烧蚀钽靶产生等离子体,对甲烷-空气预混火焰kHz重频激光烧蚀等离子体助燃的吹熄极限、火焰结构、火焰传播速度、火核温度等特性及其主导作用机制进行了研究。利用平均功率5.5W的激光烧蚀等离子体作用,使当量比0.7-1.2、气流速度4m/s的甲烷-空气预混燃气实现了稳定燃烧,相比无等离子体作用时拓展了稳燃的当量比范围,吹熄极限提高了30%-3.4倍。基于CH基团化学荧光成像和纹影技术获得了气流速度、当量比、激光平均功率对等离子体助燃火核结构的影响。激光功率越高、当量比越接近恰当比,初始火核的体积越大,燃烧越稳定。火焰持续稳燃的高度随着激光功率的增大而降低。激光功率从3.48W增加到6.38W时,使当量比1、气流速度4m/s的甲烷-空气火焰稳燃高度降低了0.52mm,这对于燃烧器的小型化具有重要意义。基于助燃火核的时空演化特性,建立了烧蚀等离子助燃火核发展模型,获得了助燃过程的火焰传播速度。激光烧蚀等离子体的作用提高了甲烷-空气预混火焰的传播速度,促进了火焰稳定。采用平均功率4.52W的激光作用,使气流度4m/s、当量比0.8-1.3的甲烷-空气预混燃气的火焰传播速度相比无等离子体作用时提高了28.2%-2.4倍。通过对比空气、甲烷-空气预混气和甲烷-氮气预混气中激光烧蚀等离子体的温度特性和激光功率对等离子体助燃初始火核温度时空演化特性的影响,分析了激光烧蚀等离子体助燃的作用机制。研究表明,激光烧蚀等离子体引起的热效应(宏观温升)有限,其主要的物理机制是激光烧蚀等离子体激发出的活性粒子促进了燃烧化学反应进程。本文的研究成果对于明确激光等离子体助燃技术机理、促进激光等离子体助燃的工程应用具有重要的推动作用。
【关键词】：激光烧蚀等离子助燃 吹熄极限 火焰传播速度 纹影技术 发射光谱测温技术
【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】：2016
【分类号】：TN249;O53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 放电等离子体助燃10-12
• 1.2.2 激光诱导等离子体助燃研究概况12-13
• 1.2.3 等离子体助燃的物理机制研究13-14
• 1.2.4 等离子体助燃的流场结构与火焰结构研究14-16
• 1.2.5 激光烧蚀金属靶等离子体特性研究16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 激光等离子体助燃温度与流场诊断方法研究18-25
• 2.1 引言18
• 2.2 发射光谱测温方法18-22
• 2.3 基于纹影技术的流场诊断方法22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 平面燃烧器甲烷-空气火焰发射光谱测温研究25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 实验装置25-27
• 3.3 甲烷-空气平面火焰的发射光谱特性27-29
• 3.4 甲烷-空气平面火焰的温度特性研究29-32
• 3.5 本章小结32-33
• 第4章kHz重频激光烧蚀等离子体助燃研究33-52
• 4.1 引言33
• 4.2 实验装置33-36
• 4.3 kHz重频激光烧蚀等离子体助燃的吹熄极限研究36-37
• 4.4 kHz重频激光烧蚀等离子体助燃的火核结构研究37-42
• 4.4.1 气流速度对火核发展的影响38-39
• 4.4.2 激光功率对火核发展的影响39-42
• 4.4.3 当量比对火核发展的影响42
• 4.5 kHz重频激光烧蚀等离子体助燃火焰传播速度研究42-46
• 4.6 kHz重频激光烧蚀等离子体助燃物理机制研究46-51
• 4.7 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-58
• 致谢58

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本文编号：807732