内容简介

本书面向先进燃烧动力设备不断技术发展的新需求，设计典型等离子体助燃实验发展关键物理量光学诊断技术，揭示了等离子体/电场-流场-火焰场中主要物理量之间的作用规律，形成了等离子体/电场直接调控燃烧过程的新方法。本书围绕非平衡等离子体调控燃烧动力学和光学诊断开展了以下工作：（1）揭示了等离子体射流的湍流特征及电场力随雷诺数的变化规律，解耦出等离子体射流对平面火焰的流体动力学效应，构建了流场拉伸条件下的火焰传递函数模型；（2）发展了适用于燃烧过程的皮秒级电场诱导二次谐波技术及标定方法，率先开展了等离子体助燃环境中的瞬态电场测量，揭示了电场-火焰离子相互作用改变火焰结构和稳定性的机制；（3）设计了旋转滑动弧放电，在宽雷诺数范围内大幅度拓宽了甲烷预混旋流火焰的贫燃极限，揭示了滑动弧持续点火和增强燃烧稳定性的机制，形成了等离子体直接调控燃烧过程的新方法。

目录

第1章引言

1.1研究背景与意义

1.1.1极端条件下的燃烧需求和挑战

1.1.2传统燃烧调控方式及其局限性

1.1.3等离子体调控燃烧的优势分析

1.1.4等离子体在新型燃烧技术中的应用

1.2共性科学问题

1.3研究现状

1.3.1面向助燃的等离子体放电技术发展

1.3.2等离子体对于火焰关键特性的调控效果

1.3.3等离子体助燃中的关键物理量及其诊断技术

1.3.4研究现状小结

1.4本书研究目标及内容

第2章实验系统设计和在线光学诊断

2.1本章引言

2.2等离子体放电装置

2.2.1介质阻挡放电

2.2.2纳秒脉冲放电

2.2.3滑动弧放电

2.3燃烧器

2.3.1对冲燃烧器

2.3.2旋流燃烧器

2.4光学测量

2.4.1弱电离流体的流速测量

2.4.2CH/OH基平面激光诱导荧光

2.4.3火焰释热率脉动测量

2.4.4谱线法测量电子密度

2.4.5基于二次谐波的瞬态电场测量

2.5本章小结

第3章等离子体的电动流体效应及对火焰的传递

3.1本章引言

3.2介质阻挡放电的电动流体效应

3.2.1表面DBD中的瞬态电场测量

3.2.2同轴DBD射流的流场解析

3.2.3电场力诱发流场扰动的理论研究

3.3对冲扩散火焰对电动流体脉动的响应

3.3.1流场结构和脉动

3.3.2释热率脉动及火焰传递函数

3.3.3扩散火焰传递函数的理论分析

3.4对冲预混火焰对电动流体脉动的响应

3.4.1流场结构和火焰面运动

3.4.2非稳态预混火焰的LES模拟研究

3.5本章小结

第4章等离子体助燃体系中的电场-火焰动力学研究

4.1本章引言

4.2静电场平面火焰动力学研究

4.2.1平面扩散火焰在静电场中的动力学行为

4.2.2平面预混火焰在静电场中的动力学行为

4.3复合电场在平面火焰中的放电行为

4.3.1平行金属电极间纳秒脉冲放电

4.3.2直流纳秒脉冲复合放电

4.4纳秒脉冲DBD诱导的燃烧不稳定性研究

4.4.1双层DBD放电驱动的燃烧不稳定性

4.4.2火焰振荡的调控及其机理分析

4.5本章小结

第5章等离子体拓展着火/熄火极限的化学机制

5.1本章引言

5.2DBD改善着火/熄火极限的实验结果

5.2.1DBD对甲烷着火温度的影响

5.2.2DBD放电对甲烷熄火极限的影响

5.3DBD及火焰中关键中间产物

5.3.1CH自由基分布

5.3.2气相色谱离线测量

5.4DBD拓展着火极限的化学机制分析

5.4.1等离子体重整甲烷的化学路径

5.4.2H2对甲烷着火的影响

5.5本章小结

第6章等离子体对于复杂火焰的调控机理研究

6.1本章引言

6.2等离子体对预蒸发C7—C10饱和烷烃燃料着火的影响

6.2.1等离子体促进燃料裂解和着火的实验分析

6.2.2大分子燃料着火化学机理分析

6.3滑动弧等离子体对高雷诺数旋流火焰的稳定作用

6.3.1开放空间下的调控效果

6.3.2受限空间下的调控效果

6.3.3滑动弧的点火和稳燃机理分析

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3建议与展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

前言/序言

燃烧是火箭发动机、航空发动机和地面热能设备的主要动力来源，随着国家航空航天和燃机技术的发展，燃烧科学在国防安全和国民经济中的地位更加重要，不断与复杂化学反应动力学、非线性光学、多相流体力学和等离子体物理等学科交叉融合，涌现了一批新型燃烧技术。其中，等离子体调控燃烧由于响应迅速、路径多样和直接作用于火焰锋面等优势，在近10年得到了广泛关注和快速发展，成为提高发动机性能和实现清洁燃烧的关键技术路线。

等离子体是一类由自由移动的带电粒子(电子、离子等)和中性粒子组成的特殊物质，表现出准电中性和集体行为。燃烧反应过程会生成少量自由移动的电子和离子，因此火焰也可视为一种弱电离的等离子体。研究等离子体助燃的挑战主要来自等离子体和燃烧体系中多物理场、多尺度作用及非线性效应，流场、电场、温度、电子密度和组分等物理量的准确测量十分困难，且这些物理量之间存在复杂的耦合关系。因此我们首先做的工作是建立标准等离子体放电装置及燃烧器，同时发展先进光学诊断技术，实现等离子体助燃体系中重要物理量的瞬态测量，厘清等离子体与燃烧相互作用的关键物理化学路径。

对等离子体助燃过程的光学诊断可以大致分为等离子体诊断和燃烧诊断两类。一方面，传统的燃烧诊断技术如平面激光诱导荧光（PLIF），在等离子体助燃过程中仍然适用。而粒子图像测速（PIV）技术，由于示踪粒子和等离子体的相互作用及荷电颗粒在电场驱动下产生漂移速度，其适用性和测量精度需要重新论证。另一方面，等离子体诊断主要涉及电场强度、带电粒子密度和能量，本书对电子密度的测量是借鉴了清华大学工程物理系蒲以康教授课题组基于碰撞辐射模型开发的谱线法； 而对电场的测量则是与美国俄亥俄州立大学Igor Adamovich教授团队合作，发展了适用于燃烧过程的皮秒级电场诱导二次谐波技术及标定方法。

在机理研究阶段，我们主要使用了介质阻挡放电（DBD）和纳秒脉冲放电作为等离子体源，耦合对冲火焰燃烧器开展研究。前期在美国普林斯顿大学罗忠敬教授和朱德林先生的指导下，课题组吴宁博士建立了一套集成预热、水冷、测温和压力调节的对冲火焰系统。我们将燃烧器下喷嘴改造成DBD等离子体发生装置，通过测量流场脉动、电子密度和估计电场体积力，揭示了等离子体射流的湍流特征及电场力随雷诺数的变化规律； 继而，通过巧妙的实验设计解耦了等离子体射流对平面火焰的流体动力学效应和化学效应，构建了流场拉伸条件下的火焰传递函数模型，获得了等离子体对不同拉伸率下甲烷火焰点熄火边界的调控规律。此外，在新建立的缩尺对冲火焰装置上，我们开展了静电场及等离子体助燃环境中的瞬态电场矢量测量，揭示了电场火焰相互作用改变火焰结构和稳定性的机制。

进一步地，我们将目光投向等离子助燃的应用基础研究上，首先是沿用介质阻挡放电和对冲火焰装置，测试了等离子体对正庚烷、异辛烷和正癸烷等模型化合物预蒸发气体着火过程的促进作用；结合关键中间产物测量和数值计算，揭示了等离子体促进饱和烷烃燃料裂解并促进其着火特性的化学及输运机制。此外，针对民用航空发动机和地面燃机低氮贫燃不稳定燃烧，以及战斗机高空机动和二次点火困难，设计滑动弧等离子体装置实现了宽雷诺数范围的旋流火焰直接调控，有效地改善了点熄火边界和燃烧不稳定性，并结合光学诊断和理论分析，总结了滑动弧的持续释热、自由基生成，以及电场火焰作用等不同机制。

希望本书内容能够促进等离子体调控燃烧领域的发展，引起人们对新概念燃烧技术的重视。我们注意到，随着国家“双碳目标”及可持续发展战略的实施，除了面向传统的碳氢燃料外，等离子体在调控氨和离子液体推进剂等绿色燃料燃烧方面也开始发挥更多作用。

等离子调控燃烧是燃烧反应路径调控领域的前沿和难点，受研究水平和条件限制，书中难免有不足之处，恳请同行专家和广大读者指正。

姚强  李水清

清华大学能源与动力工程系

2022年2月