等离子体助燃准一维仿真平台构建及验证

发布时间：2020-03-25 04:40

【摘要】：作为一种新型的点火助燃技术,等离子体助燃在快速加热气体、减少点火延迟时间、改善火焰稳定性,拓宽燃烧极限,增加火焰传播速率,降低污染物排放等方面显示出了巨大的优势和潜力。为了解等离子体效应与燃烧之间的内在机制,研究人员在开发先进的实验平台、先进的诊断方法、定量实验数据库和动力学模型方面做出了大量的努力。但由于等离子体放电时间(以ns为单位)比典型的燃烧时间(以ms为单位)要短得多,因此等离子体强化燃烧动力学模型的建立仍然存在巨大的挑战。本文在实验室已有计算模型的基础上建立起具有广泛适用性的准一维等离子体助燃仿真平台。并协同搭建实验台,通过实验数据验证了计算平台的准确性。主要研究内容如下:(1)将由一组描述不同物质(中性基团、激发态粒子和带电粒子等)数密度的常微分方程、预测混合物温度的能量方程、Boltzmann方程以及准一维流动方程进行耦合,建立等离子体助燃准一维仿真平台。物质浓度方程与Boltzmann方程的稳态二项展开式耦合,计算等离子体电子能量分布函数(EEDF)。以实验横截面为输入参数,Boltzmann方程求解器迭代求解EEDF,得到电子碰撞激发、离解和电离过程的速率常数。然后使用硬极求解器(LSODE)求解上述方程,计算等离子体和热化学动力学共同作用下,随反应进行沿反应器流动方向上物质浓度的变化。(2)搭建纳秒脉冲放电辅助甲烷裂解/氧化实验平台,设计适用于等离子体助燃动力学模型验证的流动反应器,并进行了实验研究。实验结果用于验证计算平台的准确性。(3)通过查找文献获得等离子体辅助甲烷裂解动力学机理,基于本文构建等离子体助燃平台,研究了纳秒脉冲DBD放电对甲烷裂解的动力学效应。首先对反应过程能量、约化场强、组分浓度和反应路径进行了研究,之后对比实验数据验证计算平台准确性的同时,研究了不同初始温度、放电电压和重复频率对CH4裂解过程的影响。(4)基于本文构建等离子体助燃平台,研究了纳秒脉冲DBD放电下甲烷氧化动力学过程。首先对单一工况下等离子体辅助甲烷氧化动力学过程进行了研究分析。此后对比实验数据研究了不同初始温度、放电电压和重复频率对甲烷氧化过程的影响,进一步验证了计算平台的准确性。
【图文】：

甲烷空气,等离子体,单脉冲,氧原子

Ｔｉｍｅ邋［ｓｅｃ］逡逑邋＝邋６０Ｔｏｒｒ和０＝１．０的空气和甲烷空气等离子体中单脉冲放电后生成的氧原尔分数随时间的变化。Ａｄａｍｏｖｉｃｈ等人模型结果与实验的对比［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述实验过程并没有实现热效应和等离子体效应的去耦研宄，在等过程中会有大量的热产生，很难确定中间物质的生成是等离子体热反应的副产物。对此，普林斯顿大学燃烧和推进实验室的研宄脉冲放电等离子体放电耦合到逆流扩散火焰系统来研究等离子体应。Ｓｕｎ等人［５（）＿５２］通过实验研宄了等离子体产生的物质对火焰熄灭释ＣＨ４／０２混合气扩散火焰中，在氧化剂端施加等离子体放电，诱，利用ＴＡＬＩＦ测量了邋０原子的绝对浓度。结果表明，提高放电频原子的生成量，并且显著地提高了薄膜的消光应变率。尽管产生，氧化剂的流动温度达到９００邋Ｋ以上（低压￣６０邋Ｔｏｒｒ），才能产生大部分０原子在到达反应区之前就会被淬灭或复合。为避免淬灭，料添加到氧化剂流中，这样等离子体中产生的任何活性物质都会

浓度,等离子体,扩散火焰,甲烷空气

０逦１．０Ｅ－３逦２．０Ｅ－３逦３．０Ｅ－３逦４．０Ｅ－３逡逑Ｔｉｍｅ邋［ｓｅｃ］逡逑图１－１邋Ｐ邋＝邋６０Ｔｏｒｒ和０＝１．０的空气和甲烷空气等离子体中单脉冲放电后生成的氧原子的摩逡逑尔分数随时间的变化。Ａｄａｍｏｖｉｃｈ等人模型结果与实验的对比［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］．逡逑但上述实验过程并没有实现热效应和等离子体效应的去耦研宄，在等离子体逡逑助燃反应过程中会有大量的热产生，很难确定中间物质的生成是等离子体的作用逡逑结果还是热反应的副产物。对此，普林斯顿大学燃烧和推进实验室的研宄人员通逡逑过将纳秒脉冲放电等离子体放电耦合到逆流扩散火焰系统来研究等离子体的动力逡逑学增强效应。Ｓｕｎ等人［５（）＿５２］通过实验研宄了等离子体产生的物质对火焰熄灭的影响。逡逑在Ａｒ稀释ＣＨ４／０２混合气扩散火焰中，在氧化剂端施加等离子体放电，，诱导０原逡逑子的形成，利用ＴＡＬＩＦ测量了邋０原子的绝对浓度。结果表明，提高放电频率，可逡逑以提高０原子的生成量，并且显著地提高了薄膜的消光应变率。尽管产生了大量逡逑的０原子
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16;O53

【参考文献】