低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究
发布时间：2021-12-09 21:57
为探究低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰的影响,通过对同轴式喷注器环缝甲烷射流施加介质阻挡放电产生甲烷等离子体,综合采用多种测量手段实验研究了多种工况下该低温等离子体特性及火焰关键参数的变化。结果显示,放电击穿电压随混合比增大而减小,电流脉冲数量和幅值则随混合比增大而先增加后减小;甲烷等离子体呈灰白色,低电压下提高气体流量则放电有所减弱;受等离子体气动效应作用,放电后甲烷射流角有所增大,且电压越高射流角越大,增幅则逐渐减小,过高激励强度下射流发生失稳;等离子体通过改变燃料和氧化剂的掺混而影响甲烷/氧反扩散火焰的形态,使得火焰中心高度总体有所下降,特征长度缩短,释热强度则有所增加,其中小流量、低混合比条件下作用效果更明显;喷注器功率则随混合比上升而先增大后减小。
【文章来源】：新能源进展. 2020,8(02)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
甲烷放电图像
第2期周思引等：低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究95Ud=0kVUd=8kVUd=10kVUd=12kVUd=14kV4CHm=0.4L/min4CHm=0.6L/min4CHm=0.8L/min图5甲烷放电时喷嘴出口流场纹影图像Fig.5Schlierenimagesoftheflowfieldabovetheplasmainjector024681012140102030400.4L/min0.6L/min0.8L/minJetangle/°Voltage/kV图6不同电压幅值对应的射流角大小Fig.6Jetanglesunderdifferentmagnitudesofdischargevoltage比较相同激励电压下气流速度对射流角的影响，发现总体上大流量对应大射流角，这可归因于等离子体通道虚拟“风扇”作用，通过“风扇”的气流在“扇叶”切割作用下速度具有轴向、横向和切向三个方向，来流加速则三个分量都增大，因此促进了射流横向扩张。少数工况出现不一致变化现象应与放电非定常性有关。另外，在Ud=14kV下射流的穿透高度明显有所降低，这可能是过高激励强度下射流横向扩展加剧，发生失稳所致。鉴于等离子体喷注器应用目标是发动机中的火焰稳定与助燃，既要促进燃料和氧化剂混合，又要防止射流火焰过于贴近喷射面板引起部件烧蚀，因此在射流宽度和高度上需要权衡。据图5可知，本文条件下Ud=10kV、12kV时等离子体对射流的控制效果较好。另外，与过去研究的空气射流受放电影响相比[29]，发现仅在8kV时甲烷射流角为13.5°，略小于空气射流的14.0°，其余放电电压下甲烷射流角都明显大于空气，又因前文已指出甲烷流量越大，相同电压下其射流角越大，故推断甲烷等离子体气动效应强于空气。2.3火焰形态与释热对于本实验，甲烷射流外部被环境空气所包围，其本身又环绕着氧气射流，因此完整的火焰结构为内外
第2期周思引等：低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究97气动效应作用下增强了中间甲烷向周围的扩散，改变了喷嘴出口附近燃料和氧化剂的掺混，使得喷嘴内发生回火，火焰整体下移，然而图像捕捉的火焰为喷嘴外部部分，使得图8a表现为释热区高度下降，喷嘴外火焰释热强度降低；当M=4.0、8.0和12.0时，火焰释热分布在高度上略有增大，强度也有所增加。对于4CHm=1.0L/min，M=1.0时释热区发生断层，说明外层火焰反应主要在较高空间，而内层火焰反应区仅存在于喷嘴出口小范围，在6kV电压作用下主要释热区中部强度明显减弱，而释热峰值增大了，反映出等离子体对射流的作用范围能达到较高空间；当混合比M≥2.0时，放电对释热分布形态影响不大，但是均能增大释热强度，只是混合比越大作用越弱。(a)M=2.0(b)M=4.0(c)M=8.0(d)M=12.0(e)M=1.0(f)M=2.0(g)M=4.0(h)M=8.0图8甲烷氧反扩散火焰CH*自发辐射图像：（a~d）4CHm=0.5L/min；（e~h）4CHm=1.0L/minFig.8CH*chemiluminescenceimagesofCH4-O2inversediffusionflame:(a-d)4CHm=0.5L/min;(e-h)4CHm=1.0L/min2.3.3火焰特征参数研究为掌握等离子体对甲烷氧反扩散火焰特征参数的影响，图9给出了不同工况下的火焰尺寸、火焰中心释热强度及其上下误差，其中火焰中心高度Hc、特征长度LF及释热的定义与获取方法见文献[29]。实验中火焰形态总体稳定，图9表明误差在可以接受范围内。总体上小流量、小混合比条件下等离子体作用效果更明显。在所研究的工况中，甲烷流量为0.5L/min、恰当混合时火焰中心高度变化最大，降低幅度达73.4%；对4CHm=0.5L/min的贫燃火焰施加放电后火焰高度略有上升，而混合比越大上升?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非平衡等离子体对甲烷–氧扩散火焰影响的实验研究[J]. 周思引,聂万胜,车学科,仝毅恒,郑体凯. 力学学报. 2019(05)
[2]正交实验法对平板型双介质阻挡放电等离子体助燃特性的影响因素分析[J]. 邓俊,何立明,刘兴建,陈一. 工程热物理学报. 2019(01)
[3]介质阻挡放电作用下对冲扩散火焰的着火特性研究[J]. 唐勇,姚强,崔巍,卓建坤,李水清. 工程热物理学报. 2018(10)
[4]纳秒脉冲放电等离子体助燃技术研究进展[J]. 聂万胜,周思引,车学科. 高电压技术. 2017(06)
[5]甲烷/氧气层流反扩散火焰形态及滞后特性研究[J]. 李新宇,代正华,徐月亭,李超,王辅臣. 物理学报. 2015(02)
[6]CH4/O2/He混合气体作大气压介质阻挡放电处理后其燃烧特性的改变[J]. 穆海宝,喻琳,李平,汤成龙,王金华,张冠军. 高电压技术. 2014(10)
[7]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)
[8]等离子体助燃旋流扩散火焰的光谱分析[J]. 杨凌元,李钢,赵丽娜,邢双喜,胡宏斌,徐燕骥,杜薇,朱俊强. 工程热物理学报. 2014(02)
[9]介质阻挡放电等离子体增强引擎燃烧技术的初步研究[J]. 汤洁,段忆翔,赵卫,罗文峰. 高电压技术. 2010(03)
[10]大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究[J]. 章程,邵涛,龙凯华,于洋,严萍,周远翔. 电工技术学报. 2010(01)
硕士论文
[1]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
本文编号：3531379
【文章来源】：新能源进展. 2020,8(02)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
甲烷放电图像
第2期周思引等：低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究95Ud=0kVUd=8kVUd=10kVUd=12kVUd=14kV4CHm=0.4L/min4CHm=0.6L/min4CHm=0.8L/min图5甲烷放电时喷嘴出口流场纹影图像Fig.5Schlierenimagesoftheflowfieldabovetheplasmainjector024681012140102030400.4L/min0.6L/min0.8L/minJetangle/°Voltage/kV图6不同电压幅值对应的射流角大小Fig.6Jetanglesunderdifferentmagnitudesofdischargevoltage比较相同激励电压下气流速度对射流角的影响，发现总体上大流量对应大射流角，这可归因于等离子体通道虚拟“风扇”作用，通过“风扇”的气流在“扇叶”切割作用下速度具有轴向、横向和切向三个方向，来流加速则三个分量都增大，因此促进了射流横向扩张。少数工况出现不一致变化现象应与放电非定常性有关。另外，在Ud=14kV下射流的穿透高度明显有所降低，这可能是过高激励强度下射流横向扩展加剧，发生失稳所致。鉴于等离子体喷注器应用目标是发动机中的火焰稳定与助燃，既要促进燃料和氧化剂混合，又要防止射流火焰过于贴近喷射面板引起部件烧蚀，因此在射流宽度和高度上需要权衡。据图5可知，本文条件下Ud=10kV、12kV时等离子体对射流的控制效果较好。另外，与过去研究的空气射流受放电影响相比[29]，发现仅在8kV时甲烷射流角为13.5°，略小于空气射流的14.0°，其余放电电压下甲烷射流角都明显大于空气，又因前文已指出甲烷流量越大，相同电压下其射流角越大，故推断甲烷等离子体气动效应强于空气。2.3火焰形态与释热对于本实验，甲烷射流外部被环境空气所包围，其本身又环绕着氧气射流，因此完整的火焰结构为内外
第2期周思引等：低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究97气动效应作用下增强了中间甲烷向周围的扩散，改变了喷嘴出口附近燃料和氧化剂的掺混，使得喷嘴内发生回火，火焰整体下移，然而图像捕捉的火焰为喷嘴外部部分，使得图8a表现为释热区高度下降，喷嘴外火焰释热强度降低；当M=4.0、8.0和12.0时，火焰释热分布在高度上略有增大，强度也有所增加。对于4CHm=1.0L/min，M=1.0时释热区发生断层，说明外层火焰反应主要在较高空间，而内层火焰反应区仅存在于喷嘴出口小范围，在6kV电压作用下主要释热区中部强度明显减弱，而释热峰值增大了，反映出等离子体对射流的作用范围能达到较高空间；当混合比M≥2.0时，放电对释热分布形态影响不大，但是均能增大释热强度，只是混合比越大作用越弱。(a)M=2.0(b)M=4.0(c)M=8.0(d)M=12.0(e)M=1.0(f)M=2.0(g)M=4.0(h)M=8.0图8甲烷氧反扩散火焰CH*自发辐射图像：（a~d）4CHm=0.5L/min；（e~h）4CHm=1.0L/minFig.8CH*chemiluminescenceimagesofCH4-O2inversediffusionflame:(a-d)4CHm=0.5L/min;(e-h)4CHm=1.0L/min2.3.3火焰特征参数研究为掌握等离子体对甲烷氧反扩散火焰特征参数的影响，图9给出了不同工况下的火焰尺寸、火焰中心释热强度及其上下误差，其中火焰中心高度Hc、特征长度LF及释热的定义与获取方法见文献[29]。实验中火焰形态总体稳定，图9表明误差在可以接受范围内。总体上小流量、小混合比条件下等离子体作用效果更明显。在所研究的工况中，甲烷流量为0.5L/min、恰当混合时火焰中心高度变化最大，降低幅度达73.4%；对4CHm=0.5L/min的贫燃火焰施加放电后火焰高度略有上升，而混合比越大上升?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非平衡等离子体对甲烷–氧扩散火焰影响的实验研究[J]. 周思引,聂万胜,车学科,仝毅恒,郑体凯. 力学学报. 2019(05)
[2]正交实验法对平板型双介质阻挡放电等离子体助燃特性的影响因素分析[J]. 邓俊,何立明,刘兴建,陈一. 工程热物理学报. 2019(01)
[3]介质阻挡放电作用下对冲扩散火焰的着火特性研究[J]. 唐勇,姚强,崔巍,卓建坤,李水清. 工程热物理学报. 2018(10)
[4]纳秒脉冲放电等离子体助燃技术研究进展[J]. 聂万胜,周思引,车学科. 高电压技术. 2017(06)
[5]甲烷/氧气层流反扩散火焰形态及滞后特性研究[J]. 李新宇,代正华,徐月亭,李超,王辅臣. 物理学报. 2015(02)
[6]CH4/O2/He混合气体作大气压介质阻挡放电处理后其燃烧特性的改变[J]. 穆海宝,喻琳,李平,汤成龙,王金华,张冠军. 高电压技术. 2014(10)
[7]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)
[8]等离子体助燃旋流扩散火焰的光谱分析[J]. 杨凌元,李钢,赵丽娜,邢双喜,胡宏斌,徐燕骥,杜薇,朱俊强. 工程热物理学报. 2014(02)
[9]介质阻挡放电等离子体增强引擎燃烧技术的初步研究[J]. 汤洁,段忆翔,赵卫,罗文峰. 高电压技术. 2010(03)
[10]大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究[J]. 章程,邵涛,龙凯华,于洋,严萍,周远翔. 电工技术学报. 2010(01)
硕士论文
[1]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
本文编号：3531379
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