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不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火
沈双晏1,2, 金星1, 邓同晔1     
1. 装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416;
2. 中国卫星海上测控部, 江阴 214431
摘要: 等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径。构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了甲烷自点火、持续放电以及放电后断电条件下的点火延迟时间,分析了不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的缩短效果。构建了等离子体发射光谱测量系统,测量了放电单元中的发射光谱。在实验条件下,点火温度越高,持续放电下活性粒子的浓度越高。较小的放电功率( < 4 W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。稀释气体为Ar时,等离子体在点火温度小于1 000 K或大于1 400 K时对甲烷点火延迟时间缩短作用更好。稀释气体为N2时,随着点火温度的升高,等离子体对甲烷点火延迟时间作用效果随之降低。
关键词: 等离子体     激波管     点火延迟     稀释气体     发射光谱    
Plasma assisted methane ignition under different diluent gas
SHEN Shuangyan1,2, JIN Xing1, DENG Tongye1     
1. State Key Laboratory of Laser Propulsion and Power, Equipment Academy, Beijing 101416, China;
2. China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China
Received: 2016-06-23; Accepted: 2016-10-14; Published online: 2016-11-08 10:28
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (11372356)
Corresponding author. JIN Xing, E-mail:jinxing_beijing@sina.com
Abstract: Plasma could increase chemical and heat effect at the same time during the fuel reaction and it is expected to be an effective technical way of ignition assistance. Plasma assisted methane ignition experiment system was built based on shock tube. The methane ignition delay time of autoignition, under continuous discharge and when discharge is cut down was measured. The plasma's effect to shorten methane ignition delay under different diluent gas was analyzed. The plasma emission spectrum measurement system was built and the emission spectrum in discharge unit was measured. The active particle concentration is higher with higher ignition temperature under experimental condition. The methane ignition delay time could be shortened by 30% to 95% by a little discharge power ( < 4 W). The shortening effect of plasma is better when the ignition temperature is lower than 1 000 K or higher than 1 400 K with the diluent gas Ar. The shortening effect of plasma decreases with the increase of ignition temperature with the diluent gas N2.
Key words: plasma     shock tube     ignition delay     diluent gas     emission spectrum    

在高超声速飞行器的众多难点中,动力技术是其中一项核心技术。由于高超声速飞行器的飞行经历加速幅度较大,因此,通常使用组合发动机作为其动力驱动装置[1]。当飞行速度达到一定的速度时,转换使用冲压发动机作为其动力系统。

当飞行器速度达到高超声速时,发动机吸入的作为氧化剂的空气,裹挟喷注的燃料以超声速在燃烧室流动,燃料难以实现点火、充分燃烧以及能量释放[2]。等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径[3-4]

Gundersen[5]在密闭的金属容器内安装电晕和电弧放电电极,研究了电晕和电弧放电等离子体对点火特性的影响。Kosarev等[6-9]在激波管的末端通过纳秒脉冲放电的方式加入了等离子体,研究了等离子体对于碳氢燃料点火延迟的影响。研究结果表明,等离子体可将碳氢燃料的点火延迟时间缩短一个数量级。该团队基于实验研究结果对于CkH2k+2:O2:Ar(k=1~5) 提出了37个重要的反应式[10]。Boumehdi等[11]通过表面介质阻挡放电的方式加入等离子体,研究了在高压条件下等离子体对燃料点火延迟时间的影响。最早的在超声速流中使用等离子体火炬是由Kimura等[12]完成的。自此,有一大批研究者在超声速气流中通过加入等离子体的方式辅助燃料点火,包括使用不同的等离子体火炬以及针对不同的燃烧室的凹腔构型进行研究[13-15]

杜洪亮等[16]建立了等离子体数值计算模型,计算了N2/O2混合气体中的活性粒子随着约化场强变化。韦宝禧等[17]在超燃冲压发动机中使用热等离子体,研究了等离子体在超燃环境中的应用。张鹏等[18]研究了等离子体对于两相流的作用,并建立了数值计算模型进行仿真。

甲烷作为结构最简单,也是应用极为广泛的碳氢燃料,研究等离子体对甲烷点火延迟时间的影响具有重要的意义。此外,对于甲烷点火延迟时间的测量中,研究者一般使用Ar作为稀释气体,其化学惰性较强,极少参与到化学反应中,且其气体常数与分子量较大,满足实验条件的温度范围较宽[19]

在等离子体辅助燃料点火的实际应用中,一般的点火环境为燃料/空气。对于甲烷来说,具体的应用环境为CH4/O2/N2。并且,在放电条件下,N2会更大程度地参与反应。因此,有必要研究在不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的影响。

1 实验系统及方法 1.1 实验系统

图 1所示,实验系统主要由激波管实验系统与等离子体生成系统组成。激波管实验系统主要由激波管管体、实验段、供气系统、夹膜段、控制系统、数据采集系统等组成。等离子体生成系统主要由放电电源与放电机构组成。

图 1 实验系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

图 1中的放电图片即为典型放电图,从图中可以看到,在放电单元中,可以形成较好的放电,可产生大量的高能电子与活性粒子。放电类型为高频高压放电,放电峰值电压为2~5kV,放电峰值电流为mA量级,放电频率为10kHz左右。实验中,控制放电时间为1s,放电输入功率为4~5W。

图 2所示为测量放电等离子体发射光谱示意图。通过石英透镜将等离子体放电的发射光进行汇聚至光谱仪探头进行测量。光谱仪的型号为FC-UV1000,光谱仪有八通道,光谱仪的测量范围为197~1082nm,测量光谱的分辨率为0.1nm。

图 2 发射光谱测量示意图 Fig. 2 Schematic diagram of emission spectrum measurement
1.2 实验方法

激波管的高低压段完成配气后,对激波管进行破膜,完成实验。

光电倍增管与压力传感器的测量位置位于同一剖面。燃料的点火延迟时间为光电倍增管测量的光信号变化曲线斜率最大值处的切线,与初始光信号水平直线的交点,距离测量反射激波到达时刻的时间间隔。该点火延迟时间测量的标准也是国内外研究者常用的判断标准[20]

实验中,在混气罐中混合的实验气体为甲烷、氧气与稀释气体。其中,各气体的体积分数为甲烷16.67%,氧气33.33%,稀释气体50%。

当通过放电加入等离子体时,控制电源的输入功率为4~5W。由于电源的输出效率约为75%,因此,放电时电源输入放电单元的功率为3~4W。

实验分为3组:第1组为未加入等离子体,测量在实验设定的气体组分、压强以及当量比条件下的甲烷自点火延迟时间;第2组在实验过程中持续放电,整个放电过程大约持续1s,测量在持续放电的条件下甲烷点火延迟时间;第3组为完成放电后关闭电源测量甲烷的点火延迟时间。具体实验中,放电持续约1s后将电源关闭,在关闭电源后,完成破膜。从关闭电源到完成实验,时间约为0.5s。

放电过程中产生了多种活性粒子,在持续放电的条件下,由于电场的持续存在,各种活性粒子不断生成和淬灭,大部分活性粒子在ms量级之内便会处于平衡状态[21]。第2组实验便是为了研究在放电过程中粒子处于平衡状态下,活性粒子对甲烷点火延迟时间的影响。

在停止放电以后,由于失去了电场的持续激励,存在时间较短的粒子会迅速淬灭,生成稳定的粒子,而一些较为稳定的粒子会存在较长一段的时间。第3组实验是为了研究这些存在时间较长的粒子对甲烷点火延迟时间的影响。

2 实验测量结果 2.1 稀释气体为Ar下的实验结果

实际的实验中,点火压强在200kPa附近。在实际问题的研究中,当点火压强相差不大时,一般认为压强对点火延迟时间的对数与温度倒数之间拟合线性关系的影响可以忽略[6, 8]。因此,在对实验结果进行分析时,未考虑点火压强变化对实验结果的影响。

图 3所示为稀释气体为Ar下的不同当量比的甲烷点火延迟时间实验结果。其中,黑色方块、红色圆与蓝色三角分别为第1、2、3组实验结果,黑色实线、红色虚线与蓝色点划线为3组实验结果的拟合结果。

图 3 稀释气体为Ar下不同当量比的实验结果 Fig. 3 Experimental results of diluent gas Ar with different equivalent ratios

根据Arrhenius关系,在当量比及点火压强基本相同时,点火延迟时间的对数与点火温度的倒数呈现线性关系[22]

因此,实验结果的横坐标为点火温度T的倒数1000/T,纵坐标为点火延迟时间τ,取对数坐标。

2.2 稀释气体为N2下的实验结果

图 4所示为稀释为N2下的不同当量比的甲烷点火延迟时间实验结果。由于在当量比为1.5的贫氧条件下,使用稀释气体N2,成功完成甲烷点火的概率较低。因此,图 4为当量比为1与0.5时的甲烷点火延迟实验结果。

图 4 稀释气体为N2下不同当量比的实验结果 Fig. 4 Experimental results of diluent gas N2 with different equivalent ratios
2.3 不同压强下的混合气体发射光谱

图 5所示为当量比为1的CH4/O2/Ar混合气体,在实验压强为3kPa与7kPa下的在放电条件下的发射光谱。可以看到,特征谱线主要集中在650~950nm,特征谱线主要由激发态Ar,激发态O,O2电子激发态等离子发射的。

图 5 不同压强下CH4/O2/Ar混合气体的发射光谱 Fig. 5 Mixed CH4/O2/Ar gas emission spectrum under different pressure

图 6所示为当量比为1的CH4/O2/N2混合气体,在实验压强为3kPa与7kPa下的发射光谱。其发射光谱的特征峰值波长对应的为N2第2正带系(C3ПμB3Пg),(313.46、315.80、337.05、353.56、357.58、370.94、375.42、380.39、399.70、405.74、426.79和434.27nm),放电压强的改变并未改变其发射光谱的特征峰值波长。

图 6 不同压强下CH4/O2/N2混合气体的发射光谱 Fig. 6 Mixed CH4/O2/ N2 gas emission spectrum under different pressure

在不同压强下,发射光谱的特征谱线基本相同,随着实验压强的降低,发射光谱的强度增强。因此,可以判断,在持续放电条件下,实验压强越低,产生的活性粒子浓度越高。

3 实验结果分析

从第2节的实验结果看,很少的放电能量( < 4W)即可有效缩短甲烷的点火延迟时间。并且当放电电源关闭后,存在时间较长的粒子依然可以在一定程度上减少甲烷点火延迟时间。然而,等离子体对甲烷点火延迟时间缩短的效果随着点火温度、燃料当量比、稀释气体种类的不同而有一定的不同。

首先,对于甲烷的自点火,从实验结果看,在一定范围内,甲烷在富氧(燃料当量比ϕ=0.5) 条件下的点火延迟时间较短,在贫氧(ϕ=1.5) 的条件下点火延迟时间较长。

当稀释气体不同时,甲烷的自点火延迟时间也会产生变化。选取当量比为1时的实验条件进行对比研究。如表 1所示为当量比为1的稀释气体为Ar与N2的甲烷自点火延迟时间的拟合参数以及拟合确定系数(coefficient of determination)的对比。拟合的曲线线型为lnτ=a+(1000b/T)。

表 1 当量比为1的不同稀释气体甲烷点火延迟时间拟合对比 Table 1 Fitting comparison of methane ignition delay time of equivalent ratio equals to 1 under different diluent gas
稀释气体 拟合参数 拟合值 拟合确定系数
Ar a -3.8221 0.9785
b 5.2165
N2 a -1.5697 0.9175
b 2.9495

从拟合结果看,稀释气体Ar下的甲烷自点火延迟时间的对数与点火温度倒数的拟合确定系数更接近1,说明了N2作为稀释气体,相比Ar在更大的程度上参与了甲烷的点火过程的反应,因此N2作为稀释气体的实验结果的不确定性更强。同时,稀释气体为Ar的情况下拟合直线的斜率较稀释气体为N2的情况下要大。说明稀释气体为Ar时,甲烷点火延迟时间相对温度变化的敏感性要更强一些。

对于加入等离子体的情况下,选取当量比为1的Ar稀释气体与N2稀释气体的实验结果进行对比。如表 2所示为实验结果的对比。当使用Ar作为稀释气体时,持续放电条件下甲烷的点火延迟时间对数与点火温度倒数呈二次函数关系;当使用N2作为稀释气体时,持续放电条件下甲烷的点火延迟时间对数与点火温度呈线性函数的关系。

表 2 当量比为1的不同稀释气体在持续放电条件下甲烷点火延迟时间拟合对比 Table 2 Fitting comparison of methane ignition delay time of equivalent ratio equals to 1 in different diluent gas under continuous discharge
稀释气体 拟合线型 拟合曲线
Ar 二次函数 ln τ=-14.279 56+25.365 9(1000/T)-10.9474(1000/T)2
N2 一次函数 ln τ=-2.6947+4.6531(1000/T)

当使用Ar作为稀释气体时,在点火温度较低或者较高(T < 1000K或者T > 1400K)时,等离子体对甲烷的点火延迟时间的缩短效果较为明显,当使用N2作为稀释气体时,点火温度越低,等离子体缩短甲烷点火延迟的效果越明显。

图 7所示为在持续放电条件下,不同点火温度下等离子体对甲烷点火延迟时间的缩短效果。在稀释气体为Ar时,等离子体对甲烷点火延迟时间的缩短效果先减弱后增强。在稀释气体为N2时,随着温度的升高缩短效果减弱。

图 7 不同点火温度下等离子体对甲烷点火延迟时间的缩短效果 Fig. 7 Shortening effect of plasma on methane ignition delay time under different ignition temperature

前期研究者的研究结论表明,等离子体在低温条件下对燃料点火延迟时间的缩短效果较为明显[3]。在温度较低时,点火过程的基元反应速度相对较小,加入一定量的等离子体可以非常有效地促进基元反应的发生,从而大大加快化学反应的进行。随着点火温度的升高,点火过程的基元反应速度相对低温时有较大的提高。加入等离子体对于反应速度的提升不如低温条件下明显。因此,在点火温度较低时,随着点火温度的提高持续放电对甲烷点火延迟缩短效果减弱了。

需要注意的是,实验温度越高,激波管低压段的初始压强越小。由于放电条件下注入实验区域的功率3W < P < 4W,处于一个相对恒定的区域。当点火温度进一步升高时,实验段的气体相对低温时的浓度要小很多,而气压越低越有利于产生更加明显的放电现象[23],产生相对浓度更高的等离子体。如图 5所示的发射光谱测量结果也说明了这个问题。在点火温度较高时,等离子体的浓度大大增加,因此对基元反应的促进效果也更加明显,表现为增强了点火延迟时间的缩短效果。

实验中,等离子体对甲烷点火延迟时间缩短的效果是等离子体密度与点火温度耦合的结果。持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果呈现二次曲线的关系,持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果在点火温度为1000~1400K时较差。在温度较低或者较高时,持续放电对甲烷的点火延迟时间缩短效果更好。

对于稀释气体为N2时,随着温度的升高,持续放电对甲烷点火延迟时间的缩短效果不断下降。由于气体分子量以及气体常数的限制,当使用N2作为稀释气体时,实验的点火温度区域为1142.2K≤T≤1635.3K,而当使用Ar作为稀释气体时,实验的点火温度区域为912.6K≤T≤1961.1K。因此使用N2作为稀释气体时,在实验中,点火温度区域较Ar作为稀释气体时要小很多。因此,可以认为,当N2作为稀释气体时,持续放电对甲烷点火延迟缩短效果的拐点要高于1600K。

4 结论

构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了在不同稀释气体下甲烷自点火、持续放电以及放电后关闭电源条件下甲烷的点火延迟,并测量了放电单元的发射光谱,得到:

1) 很少的放电功率( < 4W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。并且当放电电源关闭后,存在时间较长的粒子依然可以在一定程度上减少甲烷点火延迟时间。

2) 持续放电条件下,实验压强变化时,发射光谱的特征谱线变化很小,实验压强越低,发射光谱强度越强。

3) 稀释气体为Ar时,持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果在点火温度为1000~1400K时的某温度时最差。在温度较低或者较高时,持续放电对甲烷的点火延迟时间缩短效果更好。

4) 对于稀释气体为N2时,随着温度的升高,持续放电对甲烷点火延迟时间的缩短效果不断减弱。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0544
北京航空航天大学主办。
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沈双晏, 金星, 邓同晔
SHEN Shuangyan, JIN Xing, DENG Tongye
不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火
Plasma assisted methane ignition under different diluent gas
北京航空航天大学学报, 2017, 43(7): 1373-1379
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(7): 1373-1379
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0544

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收稿日期: 2016-06-23
录用日期: 2016-10-14
网络出版时间: 2016-11-08 10:28

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