kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃研究.pdf

1、激光燒蝕等離子體助燃技術(shù)在提高燃料吹熄極限、增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠大大降低激光功率需求，對(duì)激光等離子體助燃技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。本文針對(duì)高重頻激光燒蝕等離子體助燃特性參數(shù)缺乏、作用機(jī)制尚不明確等問題，開展kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃特性和作用機(jī)制研究。
　　首先介紹了激光誘導(dǎo)等離子體助燃技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了其在機(jī)理和應(yīng)用研究方面存在的不足，提出了本文的主要研究內(nèi)容。然后，給出了基于分子發(fā)射光譜匹配技術(shù)和紋影技術(shù)的激光等離

2、子體助燃溫度和流場特性研究方法。
　　其次，基于CH基團(tuán)的發(fā)射光譜，研究了McKenna標(biāo)準(zhǔn)燃燒器甲烷-空氣平面預(yù)混火焰高度2.24mm范圍內(nèi)溫度的三維空間分布，驗(yàn)證了該標(biāo)準(zhǔn)燃燒器的空間均勻性。本文測得的火焰鋒面溫度介于熱力學(xué)絕熱溫度和德國宇航中心基于相干反斯托克斯拉曼光譜技術(shù)測得的燃盡區(qū)的溫度之間，驗(yàn)證了基于CH基團(tuán)發(fā)射光譜測溫方法的可行性。
　　最后，利用重頻1kHz、532nm的Nd:YAG激光燒蝕鉭靶產(chǎn)生等離子體，對(duì)

3、甲烷-空氣預(yù)混火焰kHz重頻激光燒蝕等離子體助燃的吹熄極限、火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鸷藴囟鹊忍匦约捌渲鲗?dǎo)作用機(jī)制進(jìn)行了研究。利用平均功率5.5W的激光燒蝕等離子體作用，使當(dāng)量比0.7-1.2、氣流速度4m/s的甲烷-空氣預(yù)混燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒，相比無等離子體作用時(shí)拓展了穩(wěn)燃的當(dāng)量比范圍，吹熄極限提高了30％-3.4倍?；贑H基團(tuán)化學(xué)熒光成像和紋影技術(shù)獲得了氣流速度、當(dāng)量比、激光平均功率對(duì)等離子體助燃火核結(jié)構(gòu)的影響。激光功率越高、當(dāng)量

4、比越接近恰當(dāng)比，初始火核的體積越大，燃燒越穩(wěn)定?；鹧娉掷m(xù)穩(wěn)燃的高度隨著激光功率的增大而降低。激光功率從3.48W增加到6.38W時(shí)，使當(dāng)量比1、氣流速度4m/s的甲烷-空氣火焰穩(wěn)燃高度降低了0.52mm，這對(duì)于燃燒器的小型化具有重要意義?；谥蓟鸷说臅r(shí)空演化特性，建立了燒蝕等離子助燃火核發(fā)展模型，獲得了助燃過程的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。激光燒蝕等離子體的作用提高了甲烷-空氣預(yù)混火焰的傳播速度，促進(jìn)了火焰穩(wěn)定。采用平均功率4.52W的激光作用，使

5、氣流度4m/s、當(dāng)量比0.8-1.3的甲烷-空氣預(yù)混燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣认啾葻o等離子體作用時(shí)提高了28.2%-2.4倍。通過對(duì)比空氣、甲烷-空氣預(yù)混氣和甲烷-氮?dú)忸A(yù)混氣中激光燒蝕等離子體的溫度特性和激光功率對(duì)等離子體助燃初始火核溫度時(shí)空演化特性的影響，分析了激光燒蝕等離子體助燃的作用機(jī)制。研究表明，激光燒蝕等離子體引起的熱效應(yīng)（宏觀溫升）有限，其主要的物理機(jī)制是激光燒蝕等離子體激發(fā)出的活性粒子促進(jìn)了燃燒化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。
　　本文的研究