氢气/氧气混合气体等离子体放电动力学机理

发布时间：2022-01-04 15:53

　　针对绿色无毒推进剂航天器火箭发动机真空低温条件下点火困难等问题,提出通过放电产生非平衡等离子体,利用其活化效应改善发动机点火性能。为了研究氢、氧混合气体放电产生的活性粒子的时间演化特性,利用Bolsig+求解器计算得到不同电子碰撞反应能量损失分数随约化场强变化规律;利用ZDplaskin程序包对氢、氧混合气体放电过程进行零维仿真;研究了不同约化场强下混合气体活性粒子随时间变化规律。结果表明,不同约化场强下,氢、氧混合气体中各类电子碰撞反应消耗能量占比不同。约化场强较小的情况下,电子能量大部分被分子的碰撞激发所消耗;而约化场强较大的情况下,电子能量主要用于分子的离解与电离;约化场强大于100 Td时,放电过程电子浓度快速增大,更有利于活性粒子的生成与积累。 

【文章来源】：高压电器. 2020,56(01)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

氢氧混合气体能量损失分数和约化场强关系

放电过程混合气体中活性粒子数密度变化情况见图3。从图3中可以看出，O原子、H原子、OH自由基数密度变化趋势基本一致：在放电初期快速增长，随着放电的进行增长速度减缓，到放电末期浓度趋于稳定。其中O原子浓度最高，H原子浓度略高于OH自由基浓度。部分粒子反应路径见图4。通过图4(a)-(c)的反应路径分析发现，O原子的生成反应速率大于消耗反应速率且比H原子与OH自由基的生成反应速率高一个数量级，从而O原子浓度不断积累且显著高于H原子与OH自由基浓度。H原子的反应主要为O(1D)+H2→OH+H，该结论符合文[22]中实验研究结果，说明激发态O原子有足够高的活性快速促进气体分子裂解，在整个反应中有重要的作用。OH自由基主要由O(1D)+H2→OH+H产生，与H原子的主要产生路径相同，但消耗OH的反应相对高于消耗H原子反应的速率，因此数密度与H原子相近且略低于H原子数密度。图4 部分粒子反应路径

图3 活性粒子数密度变化趋势激发态的氧原子O(1D)、O(1S)在放电末期数密度呈下降趋势，这是因为激发态的氧原子O(1D)、O(1S)具有较高的活性，易于混合气体中的气体分子发生反应被不断消耗。激发态的氧分子O2(a1Δg)数密度在放电末期仍呈上升趋势，而O2(b1∑g+)数密度出现了下降。通过图4(d)激发态氧分子O2(a1Δg)的反应路径可以看出，在放电过程的末期反应O2(b1∑g+)+H2→O2(a1Δg)+H2仍在进行，不断消耗O2(b1∑g+)生成O2(a1Δg)，从而使得O2(a1Δg)数密度上升O2(b1∑g+)数密度下降。

【参考文献】：
期刊论文
[1]美国MURI-PAC等离子体辅助燃烧项目及其启示[J]. 周思引,聂万胜,张政,车学科.  飞航导弹. 2017(06)
[2]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)
[3]氢氧混合气等离子体助燃放电过程模拟[J]. 车学科,周思引,聂万胜,林志勇.  高电压技术. 2015(06)
[4]低温等离子体辅助燃烧的研究进展、关键问题及展望[J]. 李平,穆海宝,喻琳,姚聪伟,许桂敏,张冠军.  高电压技术. 2015(06)
[5]等离子体流动控制与点火助燃研究进展[J]. 吴云,李应红.  高电压技术. 2014(07)
[6]俄罗斯等离子体点火和辅助燃烧研究进展[J]. 李钢,李华,杨凌元,徐燕骥,聂超群,朱俊强.  科技导报. 2012(17)



本文编号：3568626