微波放電等離子體點火與助燃研究進展①

陳兆權，王冬雪，夏廣慶，張 斌，郝劍昆，徐宗琦

(1．安徽理工大學電氣與信息工程學院，淮南 232001;2．大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024;3．中國航天科工集團公司第九總體設計部，武漢 430040)

0 引言

有關等離子體輔助燃燒(PAC，plasma-assisted combustion)的歷史，可追溯到19世紀所觀察到的物理現象，即電場可影響蠟燭的火焰流動。目前，PAC最成熟的應用就是點火和火焰穩定。有關等離子體增強燃燒的應用研究主要包括:(1)點火器;(2)火焰維持;(3)燃料噴嘴;(4)渦流燃燒器;(5)燃料重組與汽化;(6)廢氣處理等。近年來，新一代等離子體點火器相繼涌現。與傳統火花塞相比，新型點火器擁有更大的等離子體體積及點火速度，進而更有利于點火。在過去20余年中，等離子體點火研究主要集中在使用短脈沖放電。如Starikovskaia S M、Aleksandrov N L、Kosarev I N等都各自通過相應的高壓納秒脈沖放電點火實驗，對等離子體點火機理進行了研究和總結［1－3］;Leonov S B等在實驗條件為Ma=2、放電功率大于1 kW時，實現了準直流周期脈沖放電點火［4－6］;Wang F等研發并實現了將脈沖電暈放電用于航天發動機燃燒室點火的新技術等［7］。

微波放電等離子體點火與助燃技術是一項國際上新興的研究課題方向，其作為一種被用于點火助燃的非平衡等離子體具有諸多優勢:(1)放電系統結構簡單，無需復雜的磁場約束;(2)無需電極，不僅有助于產生高純度等離子體，還可延長系統壽命;(3)可在高速氣流中維持穩定放電，且活性自由基生成效率高，還可通過合理設計在指定區域放電;(4)在大氣壓或更高氣壓下，可得到均勻的等離子體放電等。其主要發展現狀正處于理論性驗證實驗階段，盡管其機制復雜，研究具有挑戰性，距實際工程應用仍需不斷探索，卻仍吸引了國際上越來越多的資深學者開展相關研究工作。目前，對該方向已有一些研究成果，從發表論文情況來看均為國外單位，如Esakov I I等對亞臨界微波流光放電用于噴氣式飛機發動機點火開展研究工作，并實現了燃料混合物在低氣壓、低功率及超音速條件下的成功點火［8－10］;Xing Rao等近年應用其自行研制的同軸凹腔裝置，實現了大氣壓下微波放電點火［11－12］。國內的研究工作才剛剛起步，本文首先總結了國外發展現狀，可為國內相關單位和學者提供可借鑒的重要資料，同時也借此文吸引更多國內學者共同投入到該項研究中;其次，根據已有研究基礎，提出了國內微波放電等離子體在航空航天發動機點火與助燃領域的研究方向和發展思路。

1 系統組成及工作原理

微波放電等離子體發生系統作為一種新型點火助燃方式，其系統組成主要包括微波能量輸入系統、微波傳輸系統、調諧監測保護系統、工質供應系統及放電腔系統。其中，工質供應系統中原理實驗通常使用的氣體主要包括空氣、氬氣、氦氣、氮氣、甲烷/空氣、乙烯/空氣等，也可根據實際使用條件的不同，選用相應的實驗工質氣體。放電腔是整個系統的核心部件，其結構設計直接影響到微波放電的形態特點，以及產生的等離子體是否適用于點火與助燃等關鍵問題。

根據各國專家學者對其多年來的探索研究，微波放電等離子體可用于點火與助燃的關鍵因素，可歸納為達到一定功率的微波將氣體擊穿后，產生大量非熱平衡等離子體，其中包含的大量高能電子與各類活性基團通過碰撞作用使分子裂解，產生額外的活化原子團和自由基，由此引起一系列鏈式反應，從而促進了快速點火，并增強燃燒。

2 研究發展現狀

美國與俄羅斯兩國在微波放電等離子體點火與助燃的研究工作中起步較早，成果較突出，一些知名學者的獨特實驗方案設計可供借鑒。本文系統闡述了近期主要研究進展，概括了各典型實驗的原理及過程，為今后進一步的研究探索提供了一定的參考和依據。

2．1 美國發展現狀

2010年，美國密歇根州立大學研發了一種新型的同軸凹腔裝置系統，以甲烷/氧氣為工質氣體，對直接耦合微波等離子體輔助燃燒開展了一系列研究工作。

2．1．1 輔助燃燒實驗

圖1為該種獨特的反應腔結構，(a)為系統實物圖以及甲烷/氧氣火焰圖(小圖為甲烷/氧氣火焰圖);(b)為相應的結構示意圖。反應腔由黃銅材料制作，腔室直徑約為35 mm，長度約為30 mm，主要組件包括黃銅氣體管燃燒室、可調基板和單極環形天線等。頻率為2．45 GHz的微波能量通過同軸電纜傳輸，應用單極環形天線發射，如圖1(b)所示。通過調整火炬、天線和基板的相對位置，獲得最優的諧振模式。

圖1 同軸凹腔裝置實物及其結構Fig．1 The coaxial re-entrant cavity applicator and its structure

分別在甲烷/氧氣2種當量比(0．9和1．1)以及2種氣流速度(60 sccm和100 sccm)條件下開展實驗，采用平面激光誘導熒光(PLIF)，對反應區域的OH自由基實驗圖像進行分析，監測激發態粒子，由OH光譜測量推導出轉動溫度。實驗結果證明，該種新型微波同軸凹腔裝置放電系統，可成功用于甲烷/氧氣混合火焰的輔助燃燒。根據微波輸入功率的不同，如圖2所示，可將放電過程分為明顯的3個階段，分別為“電場階段”、“過渡階段”和“全等離子體階段”［11］。

圖2 3種微波功率階段下的火焰圖像(上端)和OH激光誘導熒光圖像(下端)(甲烷/氧氣當量比為1．1，流速為100 sccm)Fig．2 Emission(top)and OH PLIF(bottom)images of flame vs microwave power with three stages noted(100 sccm total flowrate at equivalence ratio of 1．1)

2．1．2 再燃實驗

2011年，Xing Rao等對等離子體自持條件下的再點火問題進行了一系列研究。從實驗結果的分析與討論中得出，在“引燃火焰”熄滅的情況下，等離子體自持放電的條件為直接耦合的化學反應過程已完全發展為弱電離放電階段，并已有過剩能量進入系統。如果微波功率低于10 W，或者在低溫、低電離度、小電離體積、低電場強度的實驗條件下，都不能維持等離子體放電。為使再燃發生，電場強度必須達到一定程度，足以完全確保達到弱電離和等離子體自持放電，并伴隨著自由基濃度的升高。此時，若氣體流速比一般火焰傳播速度更高，也可發生再燃［12］。

2．2 俄羅斯發展現狀

2．2．1 在超高聲速流中的點火實驗

2004年，俄羅斯Esakov I等應用一套獨特的實驗裝置，在超高聲速流中，以丙烷為工質氣體，實現了深度亞臨界微波放電中的丙烷點火和燃燒。圖3為實驗裝置示意圖，引發放電的金屬啟動器(Vibrator)被水平放置在空氣流中，在金屬啟動器的尖端電場明顯增強，有利于穩定放電，氣流方向為由左向右，氣流速度逐漸增加到超聲速，丙烷通過啟動器底座處的小孔進入放電區［8］。

2005年，Esakov I等在先前實驗基礎上，對實驗結果中一系列關鍵數據進行深入分析得出:11%的電磁波能量被用于實驗條件下放電中的空氣加熱，9%～63%的丙烷燃燒取決于實驗條件。放電區域貼近啟動器，且燃燒炬呈現一般藍色，燃燒區域(沿著氣流方向)的長度隨著速度增加而減小［9］。

圖3 由啟動器在高速流中引發的深度亞臨界微波放電的實驗裝置示意圖Fig．3 Experimental device for investigation of deeply under critical microwave discharge initiated by a vibrator in a high speed flow

2006年，Esakov I等通過多次實驗研究，實現了對原有實驗裝置部分參數的優化，包括引發放電的關鍵器件啟動器的尺寸和形狀參數優化，并制定了兩套實驗方案:方案一是將預混合的丙烷-空氣混合氣體通過啟動器輸送，并在啟動器出口處點火;方案二是通過啟動器鼻口處的小孔預先通入空氣，丙烷從啟動器底盤處輸送，二者混合后，同樣由微波放電點火。實驗結果顯示，后者為更有前景的設計方案，且發現在啟動器底盤處使用介質“燃燒室”時，燃燒程度會大幅度增加［10］。

2．2．2 “Tornado”燃燒室實驗

2009年，Aleksandrov K V等研發了一種新型反渦流燃燒室，這種設計融合了兩種創新技術，包括用于點火的引發流光微波放電技術和反渦流燃燒室內的火焰控制技術。實驗結果證實了發生在反渦流燃燒室底盤處的亞臨界流光(絲狀)微波放電，可被用于燃料/空氣混合物的點火。圖4為該新型燃燒室的實物照片，其中輻射矩形喇叭的孔徑為90 mm×72 mm;放電室由石英管構成，內徑為73 mm，壁厚為2 mm。

實驗結果得出，在不同實驗條件下，產生不同的放電形式。其中，當P=3×105W、E=2．5 kV/cm 時，產生亞臨界微波流光放電(SSD);當P=5×104W、E=1 kV/cm時，產生深度亞臨界微波流光放電(DSSD)。由圖5可看出，2種放電形式各有不同，亞臨界流光放電充滿整個腔室空間，放電呈輻射狀;深度亞臨界流光放電幾乎只在啟動器附近。初步認為，2種放電的點火模式有所不同，放電過程中伴有化學效應和熱效應，何種放電形式更具優勢，還需進一步深入研究［13］。

圖4 “Tornado”燃燒室實驗裝置Fig．4 Appearance of the experimental setup with the Tornado combustor

圖5 電磁啟動器位于燃燒室軸線處時引發的放電Fig．5 Discharge appearance at the EM vibrator’s location on the axis of the chamber

2．2．3 大氣壓反渦流微波等離子體炬

2011年，Lavrov B P等研發了一種新型的同樣可用于點火的大氣壓反渦流微波等離子體炬。其中，反渦流等離子體發生器的獨特之處在于放電腔室內部沒有任何介質或陶瓷管，更有利于生成無污染的等離子體，且有望實現更長壽命。

圖6為實驗裝置實物照片［14］。

2．3 國內發展現狀

大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室在國內率先支持并開展了超燃沖壓發動機表面波局域增強流注放電點火助燃的機理研究，聯合國內多家單位關于微波放電等離子體點火助燃在航空航天發動機中應用領域正逐步開展一系列的研究工作。已有研究結果表明，以氬氣為工質氣體，在石英管內適當放置銅絲，可應用表面等離子激元諧振激發產生微波等離子體射流。當輸入功率上升至20 W時，在石英管內銅絲末端立即出現幾個放電分支［15］。實驗中，通過改變放電條件，獲得了等離子體的參數分布。測得的實驗結果顯示，加熱層附近的等離子體是由表面等離子激元的表面波激發所致，而下游的等離子體源于擴散效應。此外，表面等離子激元高頻振蕩的影響是導致加熱層附近等離子體呈雙麥克斯韋分布的主要原因。該結果對表面波等離子體源的優化設計和應用提供了理論指導［16］。數值模擬了微波等離子體和電磁場分布的細節，結果表明，表面等離子激元的增強電場激發了種子等離子體，其與等離子體的相互作用是產生該種射流形態的主要原因［17］。

圖6 等離子體發生器裝置及其等離子體炬Fig．6 The plasma generator and the plasma torch appearance

目前，正陸續開展如下工作:

(1)研究高氣壓、高流速空氣微波流注表面波放電的電離機制，建立放電實驗模型，進行理論分析，構建放電實驗，跟蹤探測電子崩的放電發展軌跡，揭示空氣微波流注表面波放電的電離機制。

(2)基于脈沖火花放電和封閉部分惰性氣體電暈放電產生的大量種子電子和紫外線，可顯著降低微波流注表面波放電的起始放電入射功率，實現脈沖火花連鎖微波流注表面波放電，深入研究其電離機制。

(3)采用不同燃氣當量比、不同流速下，研究脈沖火花連鎖微波流注表面波放電點燃燃氣混合物的點火過程及燃燒過程的動態變化特性;在燃燒階段，分析微波放電增強燃燒過程的化學反應情況及影響規律。

(4)進行優化設計，建立脈沖火花連鎖微波流注表面波放電點燃燃氣混合物的超燃沖壓發動機原理樣機，達到點火增強燃燒的原理驗證。

3 關鍵技術

微波放電點火的關鍵技術之一就是要實現等離子體放電點火發生在預期的指定區域［8］。根據放電裝置的不同，其對應的設計方案也不同。根據微波放電原理，一般放電腔的外形尺寸以及幾何構型主要根據兩點進行設計:一是將微波能量耦合到火焰反應區域;二是根據電場傳播的數值模擬結果進一步優化。可通過使用COMSOL MultiPhysics等商業軟件中的RF電磁求解模塊，或編制程序求解麥克斯韋方程，以獲得微波發生器內的二維電場分布規律，不斷優化使電場在火炬末端和指定區域電場最強，高效地聚焦微波能量。

Esakov I等在超聲速來流條件下實現深度亞臨界微波放電的實驗中，其關鍵技術主要是用于改變電場分布和引發放電的核心部件啟動器的設計。這種啟動器要確保放電只在其尾部末端發生，并將丙烷輸送至指定的放電區域。按照這種特定的放電要求，將啟動器制成前端較厚，以防止放電在該部位發生，尾端制成尖銳形狀，以促進引發放電。啟動器被固定在一個與自身中心垂直的金屬桿上，金屬桿被固定在一個由金屬屏制成的導電板上，啟動器與金屬屏的距離為λ/4，這樣的設計可使啟動器位于駐波電場最大振幅處，有利于氣體在較低的發生功率下被擊穿［8］。

Aleksandrov K V等研發的反渦流燃燒室在實驗中，對放電模式起關鍵影響的同樣是啟動器的作用。經實驗結果證實，當啟動器被放置在燃燒室內表面附近時，引發的是一種類似表面波的放電模式，而當啟動器位于腔室中軸時，在不同功率下引發了2種不同放電模式:一種是幾乎充滿整個腔室的亞臨界流光放電;另一種是幾乎只附著在啟動器附近的深度亞臨界流光放電［13］。

4 結束語

微波放電是一種先進的等離子體點火助燃方式，與其他方式相比，擁有獨特的優勢。微波放電產生的等離子體是非平衡等離子體，其中含有豐富的自由基和高能粒子，大大促進了燃燒中的化學反應，并可在高速氣流中維持放電;此外，微波放電系統無電極的優勢有助于增加點火助燃裝置的使用壽命。實驗結果顯示，對于不同的放電裝置應用相關技術，可實現在特定位置引發點火和輔助燃燒。

當前，普遍認為微波放電等離子體點火助燃是一項具有較大發展潛力和廣闊應用前景的先進技術，但邁入工程實際應用，仍存在一些問題，有待進一步的深入研究。比如，微波發生系統自身體積、重量小型化問題，傳輸系統優化設計技術，以及微波放電效率提高和放電火焰持續時間延長技術等。

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