預(yù)混甲烷/空氣激光等離子體點火火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展過程研究

陳 夢，竇志國，史增凱，張玉坤

（航天工程大學(xué) 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416）

0 引言

在航空航天領(lǐng)域，超聲速和高超聲速飛行器得到了廣泛的應(yīng)用，對超燃沖壓發(fā)動機和火箭發(fā)動機來說，燃燒室入口氣流速度快，燃料在燃燒室內(nèi)的駐留時間短，導(dǎo)致燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒不夠充分，燃料利用率較低。此外，真空、低溫、強激波和高湍流度等極端條件的存在也大大增加了點火的難度，利用常規(guī)點火方式很難實現(xiàn)穩(wěn)定點火。因此，人們迫切尋找一種清潔、高效的新型點火方式。

激光等離子體點火 （laser induced plasma ignition，LIPI）是通過透鏡將激光聚焦到混合燃?xì)庵校?dāng)焦點處的激光功率密度高于氣體擊穿閾值（約1010W/cm2）時[1]，氣體分子經(jīng)過多光子電離和雪崩電離等過程誘導(dǎo)產(chǎn)生高溫等離子體輔助燃燒。與傳統(tǒng)電火花塞點火相比，LIPI具有可控性好、NOx排放量低、無侵入式結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。此外，在同樣大小的點火能量下LIPI過程產(chǎn)生初始火焰核的體積要大于電火花點火產(chǎn)生初始火焰核的體積[2]，能夠有效提高點火成功率。因此，在激光器的輕量化和小型化研究取得一定進展后[3]，LIPI技術(shù)有取代傳統(tǒng)電火花點火的潛力。

通過對火焰的形態(tài)演變過程進行觀測，可以探究點火條件對LIPI過程的影響，對于提高LIPI成功率具有很高的研究價值。國內(nèi)外關(guān)于LIPI的研究多集中于點火特性研究，如最小點火能量[4，5]、點火延遲時間[6，7]等，而對于LIPI火焰的傳播與發(fā)展過程關(guān)注較少。Morsy等[8]通過對H2/空氣混合燃?xì)舛帱c激光等離子體點火的火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展過程進行觀測，發(fā)現(xiàn)多點同步點火能夠增大火焰體積，提高燃燒速度，這與Nakaya等[9]的結(jié)論一致。Dumitrache等[10]在LIPI開始前利用波長為266nm的單脈沖紫外激光對丙烷/空氣預(yù)混燃?xì)膺M行預(yù)電離處理，發(fā)現(xiàn)點火過程中未出現(xiàn)第三瓣結(jié)構(gòu)，燃燒過程更加穩(wěn)定。Yu等[11]對連續(xù)脈沖激光誘導(dǎo)等離子體點火的火焰穩(wěn)定性展開研究，發(fā)現(xiàn)增大脈沖激光頻率能夠提高火焰穩(wěn)定性和燃燒效率。

本文針對LIPI過程的影響因素，從火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展的角度對不同點火位置、當(dāng)量比和入射激光能量下甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)獾腖IPI進行了實驗研究，獲得了不同點火條件下LIPI的點火成功率和火焰發(fā)展圖像，從燃燒反應(yīng)機理的角度對部分實驗現(xiàn)象進行了解釋。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗裝置

為了探究點火位置、當(dāng)量比和入射激光能量的改變對火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展過程造成的影響，基于McKenna型平面火焰燃燒器建立了層流甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)釲IPI系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

平面火焰燃燒器爐盤中心為直徑為60mm的氣流出口，在爐盤上均勻分布有無數(shù)個氣孔，氣孔直徑小于140gm。實驗中采用的激光器波長為1064nm，脈沖寬度為10ns，重復(fù)頻率為1～20Hz，激光光束直徑為6mm，最大輸出脈沖激光能量為115mJ。CCD相機選用Phanton公司生產(chǎn)的V711型高速彩色相機，相機每幀間隔最短可達(dá)1μs，圖像分辨率最高為 1280×1024。 DG645數(shù)字延時脈沖發(fā)生器有四個脈沖輸出通道，脈沖頻率能夠達(dá)到10MHz，可用來控制激光器的出光和相機的觸發(fā)。

1.2 實驗方法

由于激光誘導(dǎo)擊穿過程具有一定隨機性，焦點附近局部當(dāng)量比或氣流速度不合適都可能導(dǎo)致LIPI過程無法形成穩(wěn)定燃燒的火焰。因此，為了獲得不同點火條件下LIPI成功的概率，需要對每個點火條件重復(fù)實驗20次，根據(jù)成功點火實驗次數(shù)占總實驗次數(shù)的比例得到該點火條件下的LIPI成功率。然后，通過對不同點火條件下火焰圖像的位置信息進行提取，對不同當(dāng)量比和激光能量下火焰前沿位置隨時間的變化規(guī)律展開研究。

實驗開始前，先通入預(yù)混燃?xì)猓龤饬鞣€(wěn)定后手動觸發(fā)DG645，之后激光器和CCD相機將按照預(yù)先設(shè)定好的延遲順序依次觸發(fā)。激光器出光后，先后經(jīng)過16%的分光鏡和聚焦透鏡，最后聚焦在預(yù)混燃?xì)庵校肷浼す饽芰靠赏ㄟ^激光能量計測得。實驗結(jié)束后，先切斷甲烷供給，待火焰熄滅后再關(guān)斷空氣。為了確保空氣中殘留的甲烷不對實驗結(jié)果造成影響，相鄰實驗的間隔時間應(yīng)不少于一分鐘。

2 結(jié)果與分析

2.1 點火結(jié)果隨點火位置的變化規(guī)律

本文首先對當(dāng)量比為0.8、1和1.5時LIPI結(jié)果隨點火位置的變化規(guī)律進行了研究，并將點火位置與穩(wěn)態(tài)火焰進行對比，實驗結(jié)果如圖2所示。其中，圖像背景為穩(wěn)態(tài)火焰圖像，預(yù)混燃?xì)獾目偭髁繛?0L/min，透鏡焦距為150mm，激光從畫面左側(cè)水平射入，單個脈沖激光能量為52.6mJ。

圖2 點火結(jié)果隨點火位置的變化規(guī)律Fig.2 Relationship between the result of the ignition and the ignition position

由圖2可知，對于當(dāng)量比為0.8的預(yù)混燃?xì)鈦碚f，能夠?qū)崿F(xiàn)LIPI成功的區(qū)域主要集中于距離爐面高度50mm以下的區(qū)域，隨著預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比的提高，穩(wěn)定點火區(qū)域的高度也不斷提高。當(dāng)激光聚焦在穩(wěn)態(tài)火焰的輪廓外部時，很難實現(xiàn)穩(wěn)定點火，這是由于在該點火區(qū)域內(nèi)空氣與預(yù)混燃?xì)獾膿交斐潭雀撸裹c附近的局部當(dāng)量比低于氣體可燃下限，無法產(chǎn)生火焰。當(dāng)聚焦點位于預(yù)混火焰內(nèi)部時，同樣無法實現(xiàn)成功點火，可能是因為該區(qū)域內(nèi)預(yù)混燃?xì)馑俣容^快、當(dāng)量比較高，不利于穩(wěn)定燃燒火焰的形成。實驗發(fā)現(xiàn)，在擴散火焰與預(yù)混火焰的交界面處點火成功率更高，且隨著焦點高度的降低，點火成功率逐漸增大，這是因為點火位置下降時，初始火焰向下的傳播距離縮短，從而降低了火焰被氣流吹熄的概率。因此，在貧燃條件下進行LIPI成功概率更高，當(dāng)量比過低或過高都不利于穩(wěn)定燃燒火焰的形成。

2.2 LIPI火焰?zhèn)鞑ミ^程典型圖像

通過對不同點火條件下LIPI火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展圖像進行觀察，發(fā)現(xiàn)預(yù)混燃?xì)釲IPI初期火焰的形狀主要有兩種：三瓣形火焰和兩瓣形火焰。其中，透鏡焦距較短時LIPI初期火焰形狀多為三瓣形，原因可能是透鏡焦距較短時，透鏡對激光能量的匯聚效果更穩(wěn)定，不會出現(xiàn)多點擊穿現(xiàn)象。

如圖3（a）所示為總流量為 30L/min、當(dāng)量比為 0.65、透鏡焦距為75mm、入射激光能量為113.6mJ時LIPI過程產(chǎn)生的三瓣形火焰，焦點距離爐面的高度為20mm。由圖可知，2ms時在焦點位置處產(chǎn)生以激光入射方向所在直線為對稱軸的兩瓣形火焰，同時在靠近激光入射方向一側(cè)產(chǎn)生獨立的第三瓣火焰，22ms時兩團火焰開始接觸，并最終發(fā)展成為一整團火焰。保持上述實驗條件不變，使用焦距為250mm的聚焦透鏡開展LIPI實驗研究，得到圖3（b）所示兩瓣形火焰，與圖3（a）進行比較后發(fā)現(xiàn)，在同一時刻三瓣形火焰體積要明顯大于兩瓣形火焰體積。

圖3 典型LIPI火焰?zhèn)鞑ミ^程Fig.3 Typical flame propagation of the LIPI （a）

2.3 當(dāng)量比對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

研究表明，改變預(yù)混燃?xì)獾漠?dāng)量比可以影響火焰速度，原因是當(dāng)量比的改變會影響火焰溫度，進而導(dǎo)致火焰速度發(fā)生改變。對于甲烷氣體來說，火焰速度在稍富燃條件下能夠達(dá)到最大值，當(dāng)量比增大或減小都會降低火焰速度[12]。

如表1所示為預(yù)混燃?xì)饪偭髁繛?3L/min、透鏡焦距為250mm、入射激光能量為113.6mJ、焦點高度為20mm時LIPI結(jié)果隨預(yù)混燃?xì)饪傮w當(dāng)量比的變化規(guī)律。由表可知，當(dāng)預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比低于0.55或高于0.85時，LIPI過程無法形成穩(wěn)定燃燒火焰，存在火焰吹熄現(xiàn)象，且隨著預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比的提高，火焰被吹熄的概率逐漸增大；當(dāng)量比介于0.65和0.8之間時，基本能夠?qū)崿F(xiàn)百分之百點火成功，隨著當(dāng)量比進一步提高，形成穩(wěn)定燃燒火焰的概率逐漸減小，最終無法實現(xiàn)點火。

通過對激光作用后不同時刻的火焰前沿的位置進行提取，得到不同當(dāng)量比條件下火焰前沿高度隨時間的變化規(guī)律，如圖4所示。對LIPI過程中的火焰吹熄現(xiàn)象進行分析后發(fā)現(xiàn)，在氣流速度不變的情況下，預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比越高，火焰向下傳播的速度越快，火焰存在的時間越長。

表1 點火結(jié)果隨預(yù)混燃?xì)饪傮w當(dāng)量比的變化規(guī)律Tab.1 Relationship between the result of the ignition and the equivalence ratio

圖4 不同當(dāng)量比條件下火焰前沿高度隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Temporal evolution of the position of the flame front under different equivalent ratios

2.4 激光能量對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

本文進一步研究了入射激光能量對LIPI火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響，如圖5所示為不同當(dāng)量比條件下LIPI的點火結(jié)果與入射激光能量的關(guān)系。實驗選用預(yù)混燃?xì)饬髁繛?0L/min，當(dāng)量比為0.65，透鏡焦距為75mm。由圖可知，入射激光能量為20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ時，對應(yīng)的可燃極限分別為0.53-0.75、0.48-0.8和0.45-0.9，實驗結(jié)果表明，隨著入射激光能量的增大，預(yù)混燃?xì)獾目扇忌舷尢岣撸扇枷孪藿档停扇紭O限范圍變寬。此外，當(dāng)預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比處于0.55-0.65之間時，提高入射激光能量能夠有效降低火焰吹熄概率。

圖5 不同入射激光能量條件下LIPI結(jié)果隨當(dāng)量比的變化規(guī)律Fig.5 Relationship between the LIPI results and the equivalence ratio under different laser energies

通過對火焰前沿的位置進行提取，獲得了不同入射激光能量下火焰前沿高度隨時間的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖可知，在激光作用后的相同時刻，激光能量越高，火焰前沿向下運動的距離越遠(yuǎn)，與平面火焰燃燒器爐面之間的距離越短。對20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ的入射激光能量來說，LIPI過程形成穩(wěn)定燃燒火焰所需的時間分別為110ms、90ms和60ms。實驗結(jié)果表明，隨著入射激光能量的提高，LIPI過程形成穩(wěn)定燃燒火焰所用的時間越短。

圖6 不同激光能量下火焰前沿高度隨時間的變化規(guī)律Fig.6 Temporal evolution of the position of the flame front under different laser energies

圖7 不同激光能量下火焰前沿速度隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Temporal evolution of the velocity of the flame front under different laser energies

通過對火焰前沿的速度進行計算，得到火焰前沿移動速度隨時間的變化規(guī)律，如圖7所示。由圖可知，在LIPI初期，火焰前沿移動的速度較快，且隨著入射激光能量的提高，LIPI初始階段火焰的速度也變快，在4ms時火焰前沿的移動速度能達(dá)到50cm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣條件下甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)饣鹧娴乃俣萚12]。這是由于入射激光能量增大，LIPI過程產(chǎn)生的初始火焰核的溫度升高，火焰速度也隨之升高，而隨著時間的改變，初始火焰核內(nèi)部燃燒活性基團的數(shù)量減少，加上未燃?xì)怏w對火焰核的冷卻作用，導(dǎo)致著火區(qū)域的溫度迅速下降，火焰速度也隨之減緩。

3 結(jié)論

本文采用納秒激光器，以McKenna型平面火焰燃燒器為研究對象，開展了層流甲烷/空氣預(yù)混燃?xì)釲IPI實驗研究，利用高速攝影技術(shù)對LIPI火焰?zhèn)鞑ヅc發(fā)展過程進行了觀測，獲得了不同點火條件下LIPI的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕饕Y(jié)論如下：

（1）LIPI過程有可能產(chǎn)生三瓣形火焰和兩瓣形火焰這兩種不同形態(tài)的火焰，三瓣形火焰多出現(xiàn)于短焦距透鏡LIPI實驗中，兩瓣形火焰多出現(xiàn)于長焦距透鏡LIPI實驗中。

（2）LIPI與激光聚焦點位置有關(guān)，在預(yù)混火焰和擴散火焰交界面處點火更利于形成穩(wěn)定燃燒火焰，且激光聚焦點的高度越低，LIPI成功率越高。此外，LIPI受預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比和入射激光能量影響，貧燃和高入射激光能量條件更利于LIPI。

（3）利用高速攝影技術(shù)獲得了不同當(dāng)量比和入射激光能量下火焰前沿位置隨時間的變化規(guī)律，對火焰吹熄現(xiàn)象展開了研究，發(fā)現(xiàn)提高預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比、增大入射激光能量能夠降低火焰吹熄現(xiàn)象發(fā)生的概率，縮短LIPI過程形成穩(wěn)定燃燒火焰所需的時間。（感謝國家自然科學(xué)基金（51606220）提供實驗平臺與技術(shù)支持。）

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