滑動弧等離子體強化甲烷/空氣擴散火焰燃燒研究

狄 輝， 車學科， 鐘 戰， 吳祥東， 朱少鵬

（航天工程大學宇航科學與技術系， 北京 101416）

0 引言

等離子體是物質除了氣體、液體、固體之外的第四態[1]，它在地球上比較少見，但在星系內，物質質量99%以上是以等離子體存在。 等離子體按照其內部粒子的自由度能量可以分為完全熱平衡等離子體[2]、局部熱平衡等離子體[3]和非平衡等離子體[4]。 非熱平衡等離子體如介質阻擋放電[5]，在航空航天領域有重要用途，如流動控制[6-7]、點火助燃[8-9]和電推進[10-11]。滑動弧等離子體是一種局部熱平衡等離子體[12]，既有熱平衡等離子的特點，又有非熱平衡等離子體特點，它在滑動放電過程中會釋放大量熱量，并產生高溫電子，這些高溫電子會促進活性粒子的形成，進而加快燃燒反應的進行。 滑動弧等離子體這一特點使其在強化燃燒領域有較大的應用價值， 將滑動弧等離子體應用在航天器姿軌控發動機的點火助燃中， 可使航天器擁有更長的在軌時間，更強的變軌能力。

當前，國內外對滑動弧等離子體均有較多研究，主要集中在滑動弧等離子體放電方面， 而在點火助燃方面研究相對較少。 在國內，空軍工程大學何立明等[13]進行了平面滑動弧等離子體的放電實驗， 發現平面滑動弧等離子存在兩種放電模式，即穩定電弧滑動與擊穿伴隨滑動，這兩種滑動模式在電信號和滑動形態上顯著不同， 受到電極結構、工質氣體流量和激勵電壓的影響；在國外，保加利亞St Kolev 等[14]研究了平面滑動弧等離子體在氮氣中放電過程， 針對2.8mA 和28mA 兩種電流的滑動弧建立了能量傳遞模型， 發現較小電流的滑動弧體積比較大電流的滑動弧體積大，大電流下的滑動弧具有“放電收縮”現象；綜上所述，國內外研究人員對滑動弧等離子體研究主要集中在機理方面，應用研究較少，將滑動弧等離子體應用在小推力火箭發動機的點火助燃方面更是罕有報道，因此對滑動弧等離子體強化燃燒進行實驗研究，進而應用在小推力火箭發動機上具有較大價值。

本文針對小推力火箭發動機同軸剪切噴注器構型設計了滑動弧等離子體強化燃燒實驗平臺， 在定常和非定常兩種放電模式下分析空氣流量、 電源占空比對滑動弧強化擴散火焰燃燒影響， 為下步設計實用型滑動弧等離子體點火器提供依據。

1 實驗裝置

圖1 所示為滑動弧等離子體強化燃燒實驗系統，主要包括高壓甲烷氣瓶、高壓空氣氣瓶、數字示波器、高頻交流電源、調壓器、數碼相機、光譜儀、滑動弧等離子體激勵器和計算機。示波器采用安捷倫DSOX3054A示波器； 交流電源采用蘇曼科技生產的CTP-2000K高頻交流電源， 電壓峰-峰值為0～30kV， 電源頻率為5～25kHz，具有兩種輸出模式：定常（連續放電）模式和非定常（脈沖放電）模式； 高壓甲烷氣瓶內裝高純甲烷，高壓空氣氣瓶內裝高純空氣， 可為滑動弧等離子體激勵器提供高純甲烷和高純空氣； 光譜儀采用愛萬提斯AvaSpec-ULS2048CL 四通道光譜儀， 可對甲烷/空氣擴散火焰進行光譜診斷； 數碼相機采用佳能ESO600 數碼相機，可對正擴散火焰形態進行拍攝。

圖1 滑動弧等離子體強化燃燒實驗系統

圖2 所示為滑動弧等離子體點火器結構圖， 該點火器主要包括電極陽極、電極陰極、一個甲烷進氣孔、兩個高純空氣進氣孔和絕緣陶瓷組成。 高純空氣從兩個空氣進氣孔進入后在激勵器內部形成環縫氣體向上流出， 高純甲烷從甲烷進氣孔進入后在電極處形成甲烷射流，甲烷噴孔直徑2mm，空氣環縫噴孔直徑6mm，甲烷與空氣之間的絕緣陶瓷最大直徑為4mm。 激勵器陰極、陽極下端最窄處距離為2mm，當向滑動弧等離子體激勵器通入高純甲烷和高純空氣后，通過交流高頻電源向電極供電，電極間隙最窄處將會產生電弧，電弧在甲烷/空氣射流的吹動下向上滑動，形成滑動弧，同時滑動弧也會點燃射流氣體，使甲烷燃燒，形成甲烷/空氣正擴散火焰，并對火焰產生助燃作用。

圖2 滑動弧等離子體點火器結構圖

2 實驗結果分析

2.1 擴散火焰燃燒特點

保持甲烷流量為3L/min， 高純空氣流量分別為0L/min、1L/min、2L/min、3L/min 和4L/min，點燃甲烷與空氣射流，形成的甲烷/空氣正擴散火焰如圖3 所示，可以看出，隨著空氣流量的增加，甲烷正擴散火焰長度逐漸減小，當空氣流量增加到3L/min 時， 甲烷擴散火焰底部會抬升，并且開始趨于熄滅， 實驗時當空氣流量增加到5L/min時，火焰熄滅。

圖3 不同空氣流量下擴散火焰燃燒圖像

2.2 定常模式下空氣流量對滑動弧強化燃燒影響

保持甲烷流量為3L/min，調節空氣高壓氣瓶，使空氣流量分別為5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，調節交流高頻電源電壓調壓器和頻率調節旋鈕， 使電源電壓峰峰值為9KV，頻率為5KHz，并保持電壓、頻率不變，此時使激勵器陰極陽極之間會產生滑動弧， 滑動弧會點燃甲烷/空氣射流氣體。 甲烷燃燒正擴散火焰如圖4 所示；甲烷燃燒會生成CH 基（431nm）[15]，使用光譜儀對每種工況下甲烷/空氣正擴散火焰進行光譜診斷，在光譜儀測量的光譜數據中找到波長在431nm 處CH 基相對發射強度，可用來反應甲烷燃燒，結果如圖6 所示。

圖6 非定常模式不同占空比下CH 基相對發射強度

通過圖4、圖5 可以看出，保持甲烷流量不變，空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 甲烷正擴散火焰高度從33.5cm 降低到24.4cm，CH 基 （431nm） 相對發射強度從1113a.u.unit 增加1388a.u.unit。這說明滑動弧等離子體擊穿空氣會生成CH 基 （431nm）， 點燃無法穩定燃燒的甲烷/空氣射流，并使之穩定燃燒，增大空氣流量會降低甲烷/空氣擴散火焰高度，但同時也可以促進CH 基（431nm）生成。

圖4 定常模式不同流量下擴散火焰燃燒圖像

圖5 不同流量下CH 基相對發射強度

2.3 非定常模式空氣流量對滑動弧強化燃燒的影響

實驗時保持電源電壓和頻率不變， 調節交流電源數字脈沖調節器，使脈沖放電頻率為50Hz，放電占空比為50%，調節甲烷高壓氣瓶，保持甲烷流量為3L/min，調節空氣高壓氣瓶， 使空氣流量分別為5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，使用數碼相機和光譜儀對火焰測量，結果如圖7 所示。 通過圖5、圖7 可以看出，在非定常模式下，滑動弧也可以點燃甲烷/空氣射流，隨著空氣流量從5L/min 增加到9L/min，甲烷正擴散火焰高度從38.5cm 降低到23.7cm，CH 基（431nm）相對發射強度從867a.u.unit增加901a.u.unit。 這對甲烷/空氣擴散火焰來說，保持甲烷流量不變，增加空氣流量，會降低火焰的高度，但會使甲烷燃燒產生更多的CH 基（413nm），與定常模式相比，非定常模式下CH 基（431nm）生成減少。

圖7 非定常模式不同空氣流量下擴散火焰燃燒圖像

2.4 非定常模式下占空比對滑動弧強化燃燒的影響

實驗時保持電源電壓和頻率不變， 調節甲烷高壓氣瓶和空氣氣瓶，保持甲烷流量為3L/min，空氣流量為5L/min，調節交流電源調節數字脈沖調節器， 使脈沖放電頻率為50Hz，電源放電占空比分別為10%、30%、50%、70%和90%，使用數碼相機和光譜儀對火焰測量，結果如圖8 所示。 通過圖6 和圖8 可以看出，在非定常模式下，電源放電占空比從10%增加到90%，滑動弧均可點燃甲烷/空氣射流，并使穩定燃燒， 火焰高度從30.7cm 增加到34.9cm，CH 基從314a.u.unit 增加到1102a.u.unit， 這說明占空比的增加可以促進CH 基（431nm）生成，并且使火焰燃燒更加充分。

圖8 非定常模式不同占空比下擴散火焰燃燒圖像

3 結論

本文進行了滑動弧等離子體強化擴散火焰燃燒實驗， 研究了滑動弧等離子體在定常和非定常兩種放電模式下，對甲烷/空氣射流氣體點火助燃的研究。 通過數碼相機對擴散火焰形態的拍攝，光譜儀對CH 基（431nm）的測量可以得出以下結論：

對甲烷/空氣擴散火焰來說，在甲烷流量不變的情況下，增大空氣流量，火焰高度會下降，當空氣流量增加到一定極限時，火焰底部會抬升，繼續增加空氣流量，火焰會熄滅，滑動弧等離子體可以重新點燃熄滅火焰，并能使甲烷/空氣射流穩定燃燒。

在定常放電模式下，保持甲烷流量不變，將空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 擴散火焰高度會降低，但CH 基（431nm）生成會增加，增加空氣流量會使甲烷反應生成更多CH 基。

在非定常放電模式下，保持甲烷流量不變，將空氣流量從5L/min 增加到9L/min， 擴散火焰高度也會降低，CH基（431nm）生成也會增加；保持甲烷和空氣流量不變，將電源占空比從10%增加到90%，火焰高度和CH 基（431nm）均會增加，并且CH 基生成增加較多。