等离子体辅助甲烷燃烧的匹配特性研究
发布时间：2021-04-08 03:33
近年来天然气作为清洁的一次能源受到了广泛的重视,而甲烷作为天然气的主要成分,由于其分子结构稳定和C-H键能高等特点使得燃烧反应条件苛刻,等离子体的加入有助于克服这些缺点;此外甲烷作为结构最简单的碳氢燃料,常用于等离子体辅助燃烧机理的研究,使得等离子体辅助甲烷燃烧成为了具有科学性和经济性且蓬勃发展的课题。目前等离子体辅助甲烷燃烧的相关研究未能全面探究各因素对助燃特性的影响,且现有研究在实验条件和燃烧特性对比上存在较大差异,本文针对以上存在的问题,通过物质匹配、空间匹配以及能量匹配的视角,展开了等离子体辅助甲烷燃烧的研究工作如下:首先,设计并搭建了能够实现多因素变化以及特性参数观测的等离子体辅助甲烷预混燃烧实验平台,进而对等离子体和燃烧诊断的方法及原理进行介绍,并发展了基于光谱分析的成像诊断方法,以及对等离子体辅助燃烧相关特性参数进行讨论和分析。其次,对等离子体辅助甲烷燃烧的物质匹配特性展开了研究,建立了甲烷空气混放电的等离子体化学模型,通过燃烧反应动力学仿真等理论研究手段,研究不同摩尔分数的放电产物O、H、CH3和O3作为初始反应物对甲烷空气预混燃烧的点火延迟时间及火焰传播速率等特性的影...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等离子体燃烧的机理[6]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-几个视角分类并进行国内外研究现状的综述。1.2.1等离子体辅助燃烧物质匹配特性的研究现状等离子体也被称为物质的第四态，是指完全电离或部分电离的离子化气态物质。而在大气压条件下，可以通过对特定的物质进行放电产生等离子体。故对于不同的物质，产生等离子体的难易程度、产生的等离子体对燃烧的影响有着不同的变化。在等离子体辅助燃烧的研究中，等离子体放电作用的物质对象的变化，使得等离子体辅助燃烧效果随着改变，其中等离子体放电下化学当量比的变化。可以认为这些因素影响了等离子体辅助燃烧的物质匹配关系。因而通过改变这些物质对象的特性，研究等离子体作用燃烧的影响规律，可以用于探究其物质匹配特性。在国内外进行的等离子体辅助燃烧研究中，开展了很多相关的工作。美国俄亥俄州立大学的MruthunjayaUddi等人[11]，对燃料/空气混合器在纳秒脉冲放电下产生的O原子进行了测量。利用双光子吸收激光诱导荧光方法，对不同放电物质下（如空气、甲烷/空气、乙烯/空气）的O原子浓度进行测量，并且通过化学动力学模拟的方法给出了O原子浓度的变化。图1-2为当量比为1时的O原子浓度变化，图1-3为当量比为0.5时的O原子浓度变化，图中的点为实验值，实线为利用燃烧机理文件GRIMech3.0的计算值。可以看出，在不同的当量比下，等离子体产生的O原子物质浓度的随着发生变化。说明不同物质匹配关系下，等离子体对燃烧的产生的效果会有变化。若要研究物质匹配特性，需要进行更为详细的变化规律研究，本研究并对这个方向开展进一步的工作。图1-2空气、空气/甲烷单次高压脉冲后氧原子摩尔分数与时间的关系，当量比为1[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3空气、空气/甲烷单次高压脉冲后氧原子摩尔分数与时间的关系，当量比为0.5[11]美国普林斯顿大学的TimothyOmbrello等人[12]，在进行等离子体激发增强火焰传播的研究中，除了涉及等离子体辅助燃烧的燃料流速对助燃效果的影响，还对O3浓度为0ppm及5000ppm时，改变化学当量比为0.8至1.2的层流火焰速度进行数值模拟，相关的结果如图1-4所示。在不同化学当量比下，由等离子体放电产生O3对助燃效果影响不同，随着当量比的增加，增强效果先下降后升高的规律，其中存在着物质匹配关系的改变。该论文对此现象的解释是，对于贫燃和富燃的预混火焰，其反应活性和放热相对较弱，有更高的提升空间，故对O3的加入更敏感。图1-4O3浓度为0ppm/5000ppm层流火焰速度随化学当量比的变化[12]美国俄亥俄州立大学的Z.Yin等人[13]，测量了重复纳秒脉冲板对板放电下预热过的氢气/空气、乙烯/空气的点火时间。该工作开展了化学当量比在
【参考文献】：
期刊论文
[1]SrCeFeNiO6催化剂的制备及其催化甲烷燃烧性能研究[J]. 金丽瑛,解亚琼,马斌,王博远,郭季,郑建东. 合成化学. 2020(02)
[2]等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的应用[J]. 于锦禄,黄丹青,王思博,于庆灏,程行远,蒋陆昀,何立明. 航空发动机. 2018(03)
[3]臭氧对甲烷/空气层流火焰传播速度影响规律[J]. 肖迪,廉静,纪少波,赵盛晋,徐怀民. 山东大学学报(工学版). 2017(04)
[4]等离子体强化燃烧的目前研究进展[J]. 何立明,刘兴建,赵兵兵,金涛,于锦禄,曾昊. 航空动力学报. 2016(07)
[5]火焰图像法计算气体层流燃烧反应动力学参数[J]. 常彦,王端阳,张锦萍,陈潞,黄思嘉,李娜,周屈兰. 燃烧科学与技术. 2013(04)
[6]等离子体助燃对燃烧产物影响的实验[J]. 赵兵兵,张鹏,何立明,杜宏亮. 航空动力学报. 2012(09)
[7]正癸烷燃烧反应中OH,CH和C2自由基的瞬态发射光谱[J]. 王利东,李萍,张昌华,唐洪昌,叶彬,李象远. 光谱学与光谱分析. 2012(05)
[8]N2第二正带系发射光谱的理论计算及实验研究[J]. 翟晓东,丁艳军,彭志敏,罗锐. 物理学报. 2012(12)
[9]基于OH自由基A2Σ+→X2Πr电子带系发射光谱的温度测量技术[J]. 彭志敏,丁艳军,杨乾锁,姜宗林. 物理学报. 2011(05)
[10]非平衡等离子体助燃低热值气体燃料[J]. 胡宏斌,徐纲,房爱兵,黄伟光. 工程热物理学报. 2010(09)
博士论文
[1]基于同轴腔体的微波等离子体技术研究[D]. 王瑶瑶.中国科学技术大学 2019
[2]大气压冷等离子体管内传播及射流特性实验研究[D]. 宋健.哈尔滨工业大学 2016
[3]非平衡等离子体增强燃烧的光谱诊断研究[D]. 汤洁.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2011
硕士论文
[1]非平衡等离子体辅助甲烷燃烧的机理研究[D]. 邬倩倩.大连理工大学 2018
[2]O2/H2O条件下CO/H2/CH4层流火焰传播速度研究[D]. 刘佳琦.哈尔滨工业大学 2018
[3]介质阻挡放电非平衡等离子体辅助甲烷离解与氧化的实验研究[D]. 许京.北京交通大学 2018
[4]三电极等离子体点火技术地面实验研究[D]. 李寄.哈尔滨工业大学 2017
[5]非平衡等离子体激励甲烷离解和氧化的动力学特性研究[D]. 张晓军.北京交通大学 2017
[6]大气等离子体射流炬设计及性能研究[D]. 苏星.哈尔滨工业大学 2016
[7]基于量子化学理论的等离子体助燃甲烷燃烧机制研究[D]. 张依婷.北京交通大学 2015
[8]微波等离子体点火与助燃放电装置的理论模拟与实验研究[D]. 王冬雪.大连理工大学 2014
[9]等离子体助燃CH4燃料的数值模拟和实验研究[D]. 张浩.北京交通大学 2014
[10]非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧影响的数值模拟研究[D]. 王回春.合肥工业大学 2014
本文编号：3124769
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等离子体燃烧的机理[6]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-几个视角分类并进行国内外研究现状的综述。1.2.1等离子体辅助燃烧物质匹配特性的研究现状等离子体也被称为物质的第四态，是指完全电离或部分电离的离子化气态物质。而在大气压条件下，可以通过对特定的物质进行放电产生等离子体。故对于不同的物质，产生等离子体的难易程度、产生的等离子体对燃烧的影响有着不同的变化。在等离子体辅助燃烧的研究中，等离子体放电作用的物质对象的变化，使得等离子体辅助燃烧效果随着改变，其中等离子体放电下化学当量比的变化。可以认为这些因素影响了等离子体辅助燃烧的物质匹配关系。因而通过改变这些物质对象的特性，研究等离子体作用燃烧的影响规律，可以用于探究其物质匹配特性。在国内外进行的等离子体辅助燃烧研究中，开展了很多相关的工作。美国俄亥俄州立大学的MruthunjayaUddi等人[11]，对燃料/空气混合器在纳秒脉冲放电下产生的O原子进行了测量。利用双光子吸收激光诱导荧光方法，对不同放电物质下（如空气、甲烷/空气、乙烯/空气）的O原子浓度进行测量，并且通过化学动力学模拟的方法给出了O原子浓度的变化。图1-2为当量比为1时的O原子浓度变化，图1-3为当量比为0.5时的O原子浓度变化，图中的点为实验值，实线为利用燃烧机理文件GRIMech3.0的计算值。可以看出，在不同的当量比下，等离子体产生的O原子物质浓度的随着发生变化。说明不同物质匹配关系下，等离子体对燃烧的产生的效果会有变化。若要研究物质匹配特性，需要进行更为详细的变化规律研究，本研究并对这个方向开展进一步的工作。图1-2空气、空气/甲烷单次高压脉冲后氧原子摩尔分数与时间的关系，当量比为1[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3空气、空气/甲烷单次高压脉冲后氧原子摩尔分数与时间的关系，当量比为0.5[11]美国普林斯顿大学的TimothyOmbrello等人[12]，在进行等离子体激发增强火焰传播的研究中，除了涉及等离子体辅助燃烧的燃料流速对助燃效果的影响，还对O3浓度为0ppm及5000ppm时，改变化学当量比为0.8至1.2的层流火焰速度进行数值模拟，相关的结果如图1-4所示。在不同化学当量比下，由等离子体放电产生O3对助燃效果影响不同，随着当量比的增加，增强效果先下降后升高的规律，其中存在着物质匹配关系的改变。该论文对此现象的解释是，对于贫燃和富燃的预混火焰，其反应活性和放热相对较弱，有更高的提升空间，故对O3的加入更敏感。图1-4O3浓度为0ppm/5000ppm层流火焰速度随化学当量比的变化[12]美国俄亥俄州立大学的Z.Yin等人[13]，测量了重复纳秒脉冲板对板放电下预热过的氢气/空气、乙烯/空气的点火时间。该工作开展了化学当量比在
【参考文献】：
期刊论文
[1]SrCeFeNiO6催化剂的制备及其催化甲烷燃烧性能研究[J]. 金丽瑛,解亚琼,马斌,王博远,郭季,郑建东. 合成化学. 2020(02)
[2]等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的应用[J]. 于锦禄,黄丹青,王思博,于庆灏,程行远,蒋陆昀,何立明. 航空发动机. 2018(03)
[3]臭氧对甲烷/空气层流火焰传播速度影响规律[J]. 肖迪,廉静,纪少波,赵盛晋,徐怀民. 山东大学学报(工学版). 2017(04)
[4]等离子体强化燃烧的目前研究进展[J]. 何立明,刘兴建,赵兵兵,金涛,于锦禄,曾昊. 航空动力学报. 2016(07)
[5]火焰图像法计算气体层流燃烧反应动力学参数[J]. 常彦,王端阳,张锦萍,陈潞,黄思嘉,李娜,周屈兰. 燃烧科学与技术. 2013(04)
[6]等离子体助燃对燃烧产物影响的实验[J]. 赵兵兵,张鹏,何立明,杜宏亮. 航空动力学报. 2012(09)
[7]正癸烷燃烧反应中OH,CH和C2自由基的瞬态发射光谱[J]. 王利东,李萍,张昌华,唐洪昌,叶彬,李象远. 光谱学与光谱分析. 2012(05)
[8]N2第二正带系发射光谱的理论计算及实验研究[J]. 翟晓东,丁艳军,彭志敏,罗锐. 物理学报. 2012(12)
[9]基于OH自由基A2Σ+→X2Πr电子带系发射光谱的温度测量技术[J]. 彭志敏,丁艳军,杨乾锁,姜宗林. 物理学报. 2011(05)
[10]非平衡等离子体助燃低热值气体燃料[J]. 胡宏斌,徐纲,房爱兵,黄伟光. 工程热物理学报. 2010(09)
博士论文
[1]基于同轴腔体的微波等离子体技术研究[D]. 王瑶瑶.中国科学技术大学 2019
[2]大气压冷等离子体管内传播及射流特性实验研究[D]. 宋健.哈尔滨工业大学 2016
[3]非平衡等离子体增强燃烧的光谱诊断研究[D]. 汤洁.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2011
硕士论文
[1]非平衡等离子体辅助甲烷燃烧的机理研究[D]. 邬倩倩.大连理工大学 2018
[2]O2/H2O条件下CO/H2/CH4层流火焰传播速度研究[D]. 刘佳琦.哈尔滨工业大学 2018
[3]介质阻挡放电非平衡等离子体辅助甲烷离解与氧化的实验研究[D]. 许京.北京交通大学 2018
[4]三电极等离子体点火技术地面实验研究[D]. 李寄.哈尔滨工业大学 2017
[5]非平衡等离子体激励甲烷离解和氧化的动力学特性研究[D]. 张晓军.北京交通大学 2017
[6]大气等离子体射流炬设计及性能研究[D]. 苏星.哈尔滨工业大学 2016
[7]基于量子化学理论的等离子体助燃甲烷燃烧机制研究[D]. 张依婷.北京交通大学 2015
[8]微波等离子体点火与助燃放电装置的理论模拟与实验研究[D]. 王冬雪.大连理工大学 2014
[9]等离子体助燃CH4燃料的数值模拟和实验研究[D]. 张浩.北京交通大学 2014
[10]非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧影响的数值模拟研究[D]. 王回春.合肥工业大学 2014
本文编号：3124769
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dongligc/3124769.html
