周思引，田 園，聶萬勝，鄭體凱，石天一

低溫等離子體對甲烷/氧反擴散火焰影響的實驗研究*

周思引1?，田 園1，聶萬勝1，鄭體凱2，石天一1

（1. 航天工程大學，北京 101416；2. 中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

為探究低溫等離子體對甲烷/氧反擴散火焰的影響，通過對同軸式噴注器環(huán)縫甲烷射流施加介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生甲烷等離子體，綜合采用多種測量手段實驗研究了多種工況下該低溫等離子體特性及火焰關鍵參數(shù)的變化。結(jié)果顯示，放電擊穿電壓隨混合比增大而減小，電流脈沖數(shù)量和幅值則隨混合比增大而先增加后減小；甲烷等離子體呈灰白色，低電壓下提高氣體流量則放電有所減弱；受等離子體氣動效應作用，放電后甲烷射流角有所增大，且電壓越高射流角越大，增幅則逐漸減小，過高激勵強度下射流發(fā)生失穩(wěn)；等離子體通過改變?nèi)剂虾脱趸瘎┑膿交於绊懠淄?氧反擴散火焰的形態(tài)，使得火焰中心高度總體有所下降，特征長度縮短，釋熱強度則有所增加，其中小流量、低混合比條件下作用效果更明顯；噴注器功率則隨混合比上升而先增大后減小。

等離子體輔助燃燒；低溫等離子體；甲烷/氧反擴散火焰；氣動效應；火焰形態(tài)；釋熱強度

0 前 言

擴散火焰通?？煞譃檎龜U散火焰和反擴散火焰[1]，因其具有較好的安全性、操作便捷且工作范圍寬等優(yōu)點而存在于多種動力裝置中[2-42-4]。同軸式噴注器結(jié)構緊湊、便于調(diào)節(jié)燃料和氧化劑配比，常被用于一些發(fā)動機中以形成擴散火焰，但是由于氧化劑和燃料先分開而后才在噴注器出口附近進行摻混，使得射流的著火、火焰的穩(wěn)定性以及火焰位置極易因射流狀態(tài)等因素的變化而發(fā)生顯著改變，尤其當噴注器運行在變工況條件下時，嚴重影響了同軸式噴注器的工作效率、可靠性、穩(wěn)定性等[5-75-7]。因此，如何有效控制同軸式噴注器射流以形成所需的擴散火焰對于各類發(fā)動機而言十分重要。

隨著低溫等離子體應用技術的發(fā)展，其在控制流動和燃燒方面性能優(yōu)異，通過高壓放電產(chǎn)生適當類型的低溫等離子體能夠達到擴寬著火極限、提高燃燒效率、穩(wěn)定火焰等目的[8-138-13]。低溫等離子體輔助燃燒領域的一個重要研究方向是對射流火焰的控制。由于低氣壓放電相對容易，SUN等[14]建立了一個低氣壓部分預混甲烷火焰實驗系統(tǒng)，開展了低溫非平衡等離子體對甲烷火焰熄滅特性的研究，該火焰由上下一對噴嘴呈對沖形式產(chǎn)生，為便于和仿真研究相結(jié)合，電極分別平行布置于燃料噴嘴內(nèi)部，研究結(jié)果顯示等離子體能擴大熄火極限，且脈沖頻率越高效果越顯著。文獻[15]同樣針對對沖擴散火焰進行了研究，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電等離子體作用下著火溫度可降低約100 ~ 200 K。NAGARAJA等[16]則在McKenna燃燒爐上布置網(wǎng)狀平板電極，對0.033 atm氣壓下納秒脈沖放電等離子體對貧燃氫?氧預混火焰的作用進行了研究，實驗裝置的設計使得火焰和放電等離子體耦合在一起，開啟激勵器測量結(jié)果顯示諸如CH、OH、C2等重要活性組分濃度都增大了。HUTCHINS等[17]則以燃料噴嘴為中心電極，在丙烷抬升火焰外圍布置環(huán)形電極，對火焰施加直流激勵放電，考察了不同放電位置對火焰形態(tài)的影響。GALLEY等[18]將中心鈍頭體作為地電極，在火焰上方布置高壓電極，結(jié)果顯示納秒脈沖放電起到了強化丙烷?空氣預混火焰的效果。針對氫氣擴散火焰，RETTER等[19]設計了一種“T”形布局的交流激勵介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge, DBD）激勵器用于火焰控制，成功將該錐形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橐黄桨逍位鹧?。文獻[20-24]則針對射流火焰設計了各種同軸式放電裝置，激勵源包括高頻交流、納秒脈沖、微秒脈沖及射頻，實驗均發(fā)現(xiàn)低溫等離子體能提高火焰的穩(wěn)定性和傳播速度，光譜分析則顯示放電產(chǎn)生了眾多活性基團。還有一類針對旋流火焰的研究[25-26]同樣發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可增強火焰的穩(wěn)定性，并降低NO等污染物的排放。

綜合國內(nèi)外等離子體控制火焰研究，絕大多數(shù)研究針對低氣壓，火焰為部分預混或者預混火焰，主要采用納秒脈沖電源，并且涉及的擴散火焰研究中氧化劑是空氣。而對于非吸氣式動力裝置，例如空間發(fā)動機，其氧化劑一般是純氧。并且，當前相關研究中缺乏對火焰形態(tài)和釋熱的詳細診斷，對等離子體影響火焰的內(nèi)在機理研究不夠深入。甲烷作為一種清潔燃料，價格低、易于儲存，是未來空天動力裝置的首選。鑒于此，本文綜合利用多種測量手段實驗研究了甲烷放電低溫等離子體對甲烷?氧反擴散火焰的作用效果，獲得并分析了等離子體電學參數(shù)、等離子體氣動效應以及火焰特征參數(shù)變化規(guī)律，以掌握等離子體對該類火焰的影響規(guī)律和作用機理。其中正擴散火焰定義為甲烷在中間而氧射流包圍著甲烷，反擴散火焰則是燃料和氧化劑的相對噴射位置與正擴散火焰相反。

1 實驗系統(tǒng)

以等離子體噴注器為核心的等離子體控制甲烷?氧反擴散火焰實驗系統(tǒng)見圖1，其包括了四個分系統(tǒng)：燃料氧化劑供應系統(tǒng)、放電等離子體噴注器、燃燒測量與控制系統(tǒng)、放電控制及測量系統(tǒng)。燃料和氧化劑供應系統(tǒng)中氣源的純度均為99.99%，兩者通過LZB轉(zhuǎn)子流量計控制流量，標定后的氧氣和甲烷流量計控制精度可達2.5‰。采用自主開發(fā)的測控計算機來控制管路中電磁閥的運作時序，并對火焰參數(shù)測量數(shù)據(jù)進行采集。

圖1 介質(zhì)阻擋放電等離子體控制甲烷?氧反擴散火焰實驗系統(tǒng)

一般用于輔助燃燒的等離子體放電生成方式有微波放電、電弧放電、滑動弧放電、介質(zhì)阻擋放電、納秒脈沖放電等[9-10]，其中介質(zhì)阻擋放電具有眾多優(yōu)點，如放電過程易于控制、適合長時間工作、能在較大空間產(chǎn)生相對均勻的等離子體以及寬工作氣壓等[10,27]。因此，本文基于DBD構型設計了一種同軸直流式低溫等離子體噴注器。該等離子體噴注器由外層集氣腔、中間層絕緣介質(zhì)套管和中心金屬噴嘴組成，其中絕緣套管為可耐1 973 K高溫的氧化鋁陶瓷，中心噴嘴和集氣腔則為不銹鋼材料，整個等離子體噴注器裝配后實物見圖2。中心噴嘴內(nèi)徑為5 mm、外徑為7 mm，作為地電極；絕緣套管出口段外徑為15 mm、內(nèi)徑為9 mm；高壓電極貼附在絕緣套管近出口段外表面，沿套管軸向長度為50 mm，采用銅箔材料；裝配方式上，中心噴嘴出口端面與銅箔電極出口端面平齊，且較絕緣套管內(nèi)縮5 mm以增強燃料和氧化劑混合[28]，同時有利于抑制爬電。燃料甲烷在充填集氣腔后經(jīng)噴注器環(huán)縫噴出，其中絕緣套管壁面上對稱開有4個直徑為2.83 mm的圓孔；氧氣直接從中心噴嘴噴出。甲烷在環(huán)縫出口段高壓電極覆蓋區(qū)域會發(fā)生介質(zhì)阻擋體放電而形成低溫等離子體射流，隨后在預混區(qū)甲烷等離子射流和氧氣進行混合，形成點火所需混氣環(huán)境，著火后形成的火焰類型屬于反擴散火焰。

圖2 等離子體噴注器裝配體

等離子體電源采用HVAC1-30AS高頻高壓交流電源，設備還包括調(diào)壓器和工控機。電源輸出電壓為正弦波形，電壓幅值為0 ~ 30 kV，載波頻率為1 ~ 50 kHz，可連續(xù)或爆發(fā)模式長期運行，實驗中設置載波頻率為10 kHz[29]。

等離子體噴注器放電電壓和電流分別由Tektronix P6015A高壓探頭和Person Model 6595電流線圈進行測量，并通過Tektronix 2024B示波器（帶寬和采樣頻率分別為1 GS/s和200 MHz）記錄。

為捕獲噴注器出口射流形態(tài)，構建了反射式“Z”紋影測量系統(tǒng)，所用相機為Canon 600D單反數(shù)碼相機。對放電圖像和火焰參數(shù)的測量也采用該相機，鏡頭為Canon EF50 mm f/1.8 STM定焦鏡頭，為減弱振動對成像質(zhì)量的影響，所有拍攝均利用快門線遠程操作相機快門的釋放，每個工況以連拍模式拍攝5幅圖像。為獲取火焰釋熱強度分布并定量診斷火焰特征參數(shù)，根據(jù)文獻[29]方法選取碳氫燃料重要中間反應產(chǎn)物CH基的激發(fā)態(tài)作為分析對象，由于CH激發(fā)態(tài)存在于多個譜段，本文考慮無重疊、強度高等因素選擇波長范圍在415 ~ 440 nm的CH*基進行火焰自發(fā)輻射圖像研究。有關本實驗的更多操作細節(jié)和誤差分析請參見文獻[29]和文獻[30]。

2 結(jié)果與討論

2.1 放電電學特性及其形態(tài)

圖3 火焰狀態(tài)下甲烷放電電流、電壓波形，= 1.0 L/min，Ud = 6.0 kV

圖4 甲烷放電圖像

2.2 等離子體氣動效應

圖5 甲烷放電時噴嘴出口流場紋影圖像

圖6 不同電壓幅值對應的射流角大小

比較相同激勵電壓下氣流速度對射流角的影響，發(fā)現(xiàn)總體上大流量對應大射流角，這可歸因于等離子體通道虛擬“風扇”作用，通過“風扇”的氣流在“扇葉”切割作用下速度具有軸向、橫向和切向三個方向，來流加速則三個分量都增大，因此促進了射流橫向擴張。少數(shù)工況出現(xiàn)不一致變化現(xiàn)象應與放電非定常性有關。另外，在d= 14 kV下射流的穿透高度明顯有所降低，這可能是過高激勵強度下射流橫向擴展加劇，發(fā)生失穩(wěn)所致。鑒于等離子體噴注器應用目標是發(fā)動機中的火焰穩(wěn)定與助燃，既要促進燃料和氧化劑混合，又要防止射流火焰過于貼近噴射面板引起部件燒蝕，因此在射流寬度和高度上需要權衡。據(jù)圖5可知，本文條件下d=10 kV、12 kV時等離子體對射流的控制效果較好。

另外，與過去研究的空氣射流受放電影響相比[29]，發(fā)現(xiàn)僅在8 kV時甲烷射流角為13.5°，略小于空氣射流的14.0°，其余放電電壓下甲烷射流角都明顯大于空氣，又因前文已指出甲烷流量越大，相同電壓下其射流角越大，故推斷甲烷等離子體氣動效應強于空氣。

2.3 火焰形態(tài)與釋熱

對于本實驗，甲烷射流外部被環(huán)境空氣所包圍，其本身又環(huán)繞著氧氣射流，因此完整的火焰結(jié)構為內(nèi)外雙層。由于外部空氣處于靜止狀態(tài)，甲烷容易與之發(fā)生摻混，形成局部準預混的富燃火焰，中間氧氣流速相對較快，與甲烷摻混較弱，多處于貧燃態(tài)。因本研究的火焰為反擴散型，氧化劑為純氧，使得火焰本身很穩(wěn)定，而火焰本身呈離子態(tài)，與噴嘴放電區(qū)域接觸后容易發(fā)生爬電，而擊穿電壓約為6 kV，實驗發(fā)現(xiàn)施加放電擊穿后難以繼續(xù)提高電壓，故僅記錄了未放電和6 kV電壓下的數(shù)據(jù)。

2.3.1 可見光圖像對比

圖7 不同電壓激勵下甲烷?氧反擴散火焰圖像

2.3.2 CH*自發(fā)輻射圖像對比

圖8 甲烷?氧反擴散火焰CH*自發(fā)輻射圖像：（a ~ d）= 0.5 L/min；（e ~ h）= 1.0 L/min

2.3.3 火焰特征參數(shù)研究

圖9 不同工況下甲烷?氧反擴散火焰特征參數(shù)隨電壓變化

2.4 噴注器功率

3 結(jié) 論

基于自主設計的等離子體噴注器，對低溫等離子體影響甲烷?氧反擴散火焰進行了實驗研究，主要考察了噴注器電學特性、放電等離子體圖像、等離子體氣動效應以及火焰形態(tài)和釋熱等，并計算了放電功率，結(jié)論如下：

等離子體噴注器甲烷放電具有典型絲狀放電特征，燃燒狀態(tài)下增大混合比，甲烷擊穿電壓下降，放電電流則先增后減；甲烷等離子體呈灰白色，電壓上升則放電發(fā)光增強，而較低電壓下氣流速度上升則放電減弱；施加放電后受甲烷等離子體氣動效應作用，甲烷射流角有所擴大，且電壓越高射流角擴張越顯著，增幅則逐漸減??；等離子體誘導射流的軸向速度分量促進了射流垂直方向的穿透能力，過高激勵強度下射流會嚴重失穩(wěn)、橫向擴散劇烈，導致射流垂直方向穿透能力反而減弱；放電增強了甲烷向中間氧氣射流以及上方空間的運動，促進了兩者混合，使得多數(shù)工況下火焰高度和長度略有下降，火焰釋熱強度整體上升；受燃燒影響，增大混合比噴注器功率先升后降。在本文實驗條件下，當以強化燃燒、穩(wěn)定火焰為目標時等離子體激勵器工作在小流量、低混合比條件下作用效果更佳。

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Experimental Study on the Effect of Low-Temperature Plasma on CH4/O2Inverse Diffusion Flame

ZHOU Si-yin1, TIAN Yuan1, NIE Wan-sheng1, ZHENG Ti-kai2, SHI Tian-yi1

(1. Space Engineering University, Beijing 101416; 2. Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, Gansu, China)

Based on the in-house plasma injector, the effect of dielectric barrier discharge plasma on a CH4/O2inverse diffusion flame was studied. The voltage-current characteristics, photographs, gas dynamic effect of methane plasma, flame shape, heat release, and discharge power were investigated in detail through various measurements. Results showed that the breakdown voltage decreased with the increase of the mixing ratio, while the number of current pulses its amplitude increased first and then decreased. The methane plasma emitted a gray white light and the emission intensity weakened with the flow rate rises. Due to the plasma gas dynamic effect, the CH4jet angle expanded notably after discharge. The higher the voltage is, the larger the jet angle is, while the amplitude is decline, and the instability of the jet may occur under the high actuation intensity. The mixing process was altered by the discharge plasma, the inverse diffusive flame showed a different shape compared with its original pattern. Generally, the flame center height and its characteristic length decreased, while the heat release intensity increased. The effect of the plasma on the flame was more obvious under a small flow rate or a low mixing ratio condition. The power of the injector increased and then decreased with the mixing ratio rises.

plasma assisted combustion; low-temperature plasma; CH4/O2inverse diffusion flame; gas dynamic effect; flame shape; heat release intensity

TK16；TF055；O539

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.002

2095-560X（2020）02-0091-09

2020-01-19

2020-02-14

國家自然科學基金項目（51876219，51777214）

周思引，E-mail：siyin_zhou@126.com

周思引（1988-），男，博士，講師，主要從事等離子體輔助燃燒與流動控制研究。

聶萬勝（1969-），男，博士，教授，主要從事航天動力裝置中的燃燒研究。