楊 昆，陳 雷，程凡翀，裴 歡，劉桂銘，王保懷，曾 文

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136

引 言

滑動(dòng)弧放電等離子體是高速氣體來流在電極間隙最窄處放電擊穿產(chǎn)生電弧的一種周期性等離子體放電方式。在放電過程中，電弧在高速氣流的推動(dòng)下沿著電極滑動(dòng)，直至達(dá)到極限(電場(chǎng)提供的能量不足以維持電弧的熱量耗散)后熄滅，并重新在電極間隙最窄處產(chǎn)生新電弧?；瑒?dòng)弧等離子體具有較低宏觀氣體溫度、較高電子密度及電子溫度的特點(diǎn)，因此被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛研究并實(shí)際應(yīng)用。自Czernichowski開創(chuàng)性的將滑動(dòng)弧等離子體應(yīng)用于H2S的降解以來，滑動(dòng)弧等離子體在燃料重整制氫[1]、點(diǎn)火助燃[2]、廢水處理[3]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。張若兵等[4]探究了電極結(jié)構(gòu)對(duì)二維滑動(dòng)弧等離子體尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)電極張角和電極長(zhǎng)度對(duì)等離子體的寬度和長(zhǎng)度有明顯影響；何立明等[5]驗(yàn)證了滑動(dòng)弧放電有A-G和B-G兩種放電模式，且兩種模式占比受放電電壓和電極幾何結(jié)構(gòu)影響；鐘犁等[6]探究了進(jìn)氣量、放電間隙對(duì)二維滑動(dòng)弧的放電電壓等物理參數(shù)的影響，并對(duì)放電的平衡特性進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)10～35 L·min-1的中等流量條件適用于氣體處理；張浩等[7]研究了進(jìn)氣流量和CH4/Ar摻混比對(duì)甲烷裂解制氫影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧可以在較高CH4處理量下獲得較高CH4轉(zhuǎn)化率。Wu等[8]通過發(fā)射光譜法研究了氣體流速對(duì)大氣壓下Ar/N2旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體振動(dòng)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)溫度在氣體流速2～16 L·min-1工況下先增大后減小，在12 L·min-1時(shí)達(dá)到最大。

滑動(dòng)弧等離子體在點(diǎn)火助燃[9-10]、燃油霧化[11]等方面的應(yīng)用日益增多；目前國(guó)內(nèi)外對(duì)滑動(dòng)弧理論研究多采用惰性氣體作為工作氣體，與點(diǎn)火助燃及燃油霧化的實(shí)際工作氣體并不一致。本文通過對(duì)空氣滑動(dòng)弧等離子體進(jìn)行光譜診斷，研究Ar體積流量qAr、調(diào)壓器電壓U調(diào)對(duì)空氣滑動(dòng)弧等離子體的振動(dòng)溫度、電子密度及產(chǎn)生的OH及O的相對(duì)光譜強(qiáng)度的影響，為空氣滑動(dòng)弧等離子體在點(diǎn)火助燃、燃油霧化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供幫助。空氣滑動(dòng)弧等離子體能在較低能耗下促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)活性，必將在點(diǎn)火助燃、燃油霧化方面應(yīng)用占據(jù)一席之地，使其實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用成為一種可能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

圖1所示為本試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)圖。放電裝置為本課題組自主研制的滑動(dòng)弧激勵(lì)器，由兩片紫銅刀形電極、聚四氟乙烯絕緣罩、聚四氟乙烯噴嘴、聚四氟乙烯進(jìn)氣管組成，紫銅電極厚10 mm，總長(zhǎng)100 mm，發(fā)展段(電極上電弧產(chǎn)生且滑動(dòng)的電極弧段)長(zhǎng)75 mm、弧度60°，與聚四氟乙烯絕緣罩通過螺紋連接，可調(diào)節(jié)放電間隙，兩電極分別與等離子體電源高壓、接地端相連。聚四氟乙烯進(jìn)氣管內(nèi)徑6 mm，壁厚2 mm，與聚四氟乙烯絕緣罩通過螺紋連接，可調(diào)節(jié)進(jìn)氣管與電極最窄間隙間的距離。

圖1 試驗(yàn)器及測(cè)試系統(tǒng)圖

試驗(yàn)中采用CTP-2000K交流等離子體電源供電；采用Tronix-TDS1002數(shù)字型示波器監(jiān)控放電電壓及輸入頻率；試驗(yàn)載氣分別由純度99.99%的空氣及Ar瓶提供，空氣和Ar經(jīng)由各自氣體管路通入后預(yù)混再通入試驗(yàn)器進(jìn)行滑動(dòng)弧等離子體放電；光譜信息由海洋光學(xué)MX2500+多通道光譜儀采集，每一工況光譜信息均采集10次后取平均值。

1.2 光譜診斷方法

1.2.1 試驗(yàn)工況

本研究中，光譜測(cè)量采用發(fā)射光譜法。試驗(yàn)中固定qAir=15 L·min-1、f=10 kHz不變，兩電極最窄處間隙固定為8 mm，進(jìn)氣管距離電極最窄處為10 mm，為能在光譜儀采集范圍內(nèi)清晰采集光譜信息，光纖探頭固定在距滑動(dòng)弧放電區(qū)域垂直高度10 mm位置處?？諝鈸舸╇妶?chǎng)遠(yuǎn)大于Ar的，加入Ar后產(chǎn)生的潘寧電離效應(yīng)能促進(jìn)空氣電離，為探究Ar添加對(duì)空氣滑動(dòng)弧等離子體的影響，改變qAr及U調(diào)進(jìn)行發(fā)射光譜診斷。

1.2.2 電子密度的計(jì)算

電子密度表征等離子體電離度強(qiáng)弱，較常用的計(jì)算方法是譜線展寬測(cè)量法[12-13]，可以用H譜線也可用非H譜線計(jì)算，H原子譜線與電子密度滿足式(1)

(1)

式(1)中，Δλ1/2為譜線線寬，Ne即為電子密度。

高斯函數(shù)表達(dá)式為

(2)

對(duì)式(2)積分可得高斯曲線的峰面積

(3)

由式(2)可得譜線線寬

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)解得

(5)

本文選用Hα(656.3 nm)譜線進(jìn)行高斯擬合可得峰面積S及譜線高度a，代入式(5)即可求出Δλ1/2，由式(1)即可求得電子密度。

1.2.3 振動(dòng)溫度的計(jì)算

振動(dòng)溫度是反映等離子體放電過程中能量輸運(yùn)的重要參數(shù)之一，目前常用計(jì)算方法為Boltzmann圖法。當(dāng)?shù)入x子體處于LTE時(shí)，上態(tài)分子數(shù)滿足Boltzmann分布

KTν(lnN0-lnNν′)=Eν′

(6)

N2分子的譜線強(qiáng)度為

(7)

分子上態(tài)振動(dòng)能量為

Eν′=ωe(ν′+0.5)+ωexe(ν′+0.5)2+ωeye(ν′+0.5)3+…

(8)

式(8)中等式右邊第三項(xiàng)后的各項(xiàng)很小，計(jì)算時(shí)可略去，聯(lián)立式(6)、式(7)和(8)可得

(9)

本文中選用分布在300～450 nm間的N2分子第二正帶系三組振動(dòng)帶序共8條譜線進(jìn)行線性擬合得到斜率再計(jì)算出振動(dòng)溫度Tν。

2 結(jié)果與討論

2.1 特征譜線分析

圖2所示為U調(diào)=120 V，qAr=0～4 L·min-1工況下滑動(dòng)弧放電等離子體特征譜線。如圖2所示，當(dāng)qAr=0 L·min-1時(shí)，空氣滑動(dòng)弧等離子體中的活性粒子主要有波長(zhǎng)分布在306～315 nm間的OH(A2Σ+→X2Π)譜帶，330～450 nm間的N2(C3Πu→B3Πg)第二正帶系，Hα(656.3 nm)及光譜強(qiáng)度較強(qiáng)的波長(zhǎng)777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波長(zhǎng)844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。其中OH(A2Σ-→X2Π)及Hα(656.3 nm)產(chǎn)生是因?yàn)榭諝庵写嬖诘奈⒘克浑婋x。當(dāng)qAr=4 L·min-1時(shí)，O(3P5P0→3S5S0)，O(3P3P→3S3S0)，OH(A2Σ+→X2Π)相對(duì)光譜強(qiáng)度顯著增大，且增加了譜線分布在680～900 nm間的ArⅠ和ArⅡ原子。這表明加入Ar能有效幫助空氣滑動(dòng)弧放電。究其原因，Ar的加入促進(jìn)了潘寧解離效應(yīng)，增加了中性氣體分子與自由電子的碰撞頻率，從而提高空氣解離。

圖2 滑動(dòng)弧等離子體發(fā)射光譜

2.2 qAr、U調(diào)對(duì)O(777.4 nm)光譜發(fā)射強(qiáng)度的影響

圖3為不同U調(diào)下qAr對(duì)空氣滑動(dòng)弧放電產(chǎn)生O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度影響。如圖3所示，加入Ar能增強(qiáng)O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr增大先緩慢增長(zhǎng)、再快速增大到極大值、隨后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。究其原因，加入Ar促進(jìn)了潘寧解離效應(yīng)，使O2分子與高能電子碰撞頻率增強(qiáng)，從而解離出更多O。隨qAr不斷增加，Ar亞穩(wěn)態(tài)不斷增加，潘寧解離效應(yīng)增強(qiáng)，從而使得O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度急劇增大。而隨qAr繼續(xù)增大，Ar*激發(fā)態(tài)粒子對(duì)能量消耗增大，導(dǎo)致高能電子獲得能量減小，從而使得O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度有少量降低并趨于穩(wěn)定。從圖3可看出，在低qAr(0～3 L·min-1)，電壓對(duì)O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度變化趨勢(shì)影響較小，而在高qAr(4～6 L·min-1)，隨U調(diào)增大，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度變化趨勢(shì)有較大變化?？赡芤?yàn)?，在低qAr，氣體總量較小，電極兩端向等離子體放電區(qū)提供能量充足，放電空間平均電子能量足以維持高能電子與O2發(fā)生碰撞的能量提供；而隨qAr增加，電極兩端放電空間平均電子能量降低，導(dǎo)致在qAr=4～6 L·min-1，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨電壓變化增大。

圖3 不同工況下O原子相對(duì)光譜強(qiáng)度

2.3 qAr、U調(diào)對(duì)OH(313.4 nm)光譜發(fā)射強(qiáng)度的影響

圖4為不同電壓下qAr對(duì)空氣滑動(dòng)弧放電等離子體產(chǎn)生OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度影響。從圖4中可看到，加入Ar使OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度明顯增加，隨著qAr增大，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度先增大再減小并趨于穩(wěn)定。究其原因，加入Ar促進(jìn)了潘寧解離效應(yīng)，H2O分子與自由電子碰撞幾率增大，從而增大了OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度。隨qAr增大，Ar亞穩(wěn)態(tài)與Ar*激發(fā)態(tài)粒子濃度增大，從而增強(qiáng)了潘寧解離效應(yīng)及H2O分子與Ar*激發(fā)態(tài)粒子的碰撞幾率，使得OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度明顯增大。隨qAr繼續(xù)增大，Ar*激發(fā)態(tài)粒子對(duì)能量消耗增大，導(dǎo)致高能電子獲得能量減小，使得OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度有少量降低并趨于穩(wěn)定。從圖4中還可以看到，在較低U調(diào)(100 V)，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr變化不明顯，這可能因?yàn)樵诘碗妷簳r(shí)輸入能量密度較小，而O2分子及Ar*激發(fā)態(tài)粒子對(duì)自由電子的捕捉能力較強(qiáng)，使得H2O分子與自由電子碰撞頻率較小。而隨電壓增大，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr變化明顯：在低qAr(0～4 L·min-1)，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr增大而明顯增大。這可能因?yàn)殡S著電壓增大，輸入能量密度增大，自由電子平均動(dòng)能增大，使得H2O分子與自由電子碰撞頻率增大；另一方面，潘寧解離效應(yīng)使得H2O分子與自由電子碰撞頻率增大。從而使得OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度增大。在qAr=1～2 L·min-1，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr變化不明顯，而隨電壓增大，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr增大顯著增大。

圖4 不同工況下OH相對(duì)光譜強(qiáng)度

2.4 qAr、U調(diào)對(duì)振動(dòng)溫度的影響

圖5為不同電壓下qAr對(duì)空氣滑動(dòng)弧放電等離子體振動(dòng)溫度影響。如圖5所示，振動(dòng)溫度在5 400～8 700 K間變化。保持電壓不變，隨qAr增大，振動(dòng)溫度先增大再減小，在qAr=3 L·min-1時(shí)達(dá)到極大值?？赡芤?yàn)锳r加入使得氬亞穩(wěn)態(tài)與氮分子發(fā)生潘寧效應(yīng)，氮分子與自由電子碰撞幾率增大，從而氮分子振動(dòng)激發(fā)增強(qiáng)，使得振動(dòng)溫度增大。而隨qAr增加，一方面，激發(fā)態(tài)氬原子相比自由電子獲取更多能量，導(dǎo)致自由電子與氮分子碰撞頻率降低；另一方面，高振動(dòng)態(tài)激發(fā)態(tài)氮分子與中性氮分子碰撞頻率增大，造成振動(dòng)馳豫增強(qiáng)，導(dǎo)致振動(dòng)溫度到最高值后開始降低。隨U調(diào)增大，振動(dòng)溫度增大，且隨qAr增大的增長(zhǎng)趨勢(shì)也隨U調(diào)增大愈加明顯。可能因?yàn)殡SU調(diào)增大，滑動(dòng)弧等離子體區(qū)輸入能量密度增大，自由電子平均動(dòng)能增大，基態(tài)N分子與自由電子非彈性碰撞頻率增大，因此振動(dòng)溫度增大。

圖5 不同工況下振動(dòng)溫度

2.5 qAr、U調(diào)對(duì)電子密度的影響

通過分析Hα(696.3 nm)譜線的Stark展寬，可計(jì)算等離子體電子密度。圖6為qAr對(duì)空氣滑動(dòng)弧放電等離子體電子密度影響，如圖6所示，通入Ar能顯著增加電子密度，在qAr=0～4 L·min-1，電子密度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，且在1.15～2.04×1017cm-3間變化。隨qAr繼續(xù)增大，在低U調(diào)(100～120 V)，電子密度先增大再減小并趨于穩(wěn)定；在高U調(diào)(140～160 V)，電子密度先增大再緩慢增大并趨于穩(wěn)定。究其原因，加入Ar促進(jìn)了潘寧電離效應(yīng)發(fā)生，從而提高電離效率使得電子密度增加。而隨qAr增加，在低U調(diào)(100～120 V)，一方面更多能量被Ar*激發(fā)態(tài)捕獲，另一方面，氣體密度增大導(dǎo)致電子平均自由程減小。二者共同導(dǎo)致自由電子與基態(tài)粒子碰撞頻率降低，使得電子密度減小。在高U調(diào)(140～160 V)，電極兩端電壓增大，輸入能量密度增大，被Ar*激發(fā)態(tài)捕獲能量占比變小，Ar*激發(fā)態(tài)對(duì)電子密度產(chǎn)生的抑制作用變小，因此，電子密度隨qAr增大有少許增大并趨于穩(wěn)定。從圖6可看到，U調(diào)變化也對(duì)電子密度造成影響。隨U調(diào)增大，電子密度增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯?？赡芤?yàn)?，一方面U調(diào)增大導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，自由電子能獲得更多能量而與粒子碰撞頻率增大而產(chǎn)生更高密度自由電子。另一方面，激發(fā)態(tài)氬原子會(huì)捕獲一部分能量，使得在低U調(diào)，電子密度增長(zhǎng)受到一定程度抑制；而隨U調(diào)增大，輸入能量密度增大，Ar*激發(fā)態(tài)捕獲能量占比變小，使得電子密度增長(zhǎng)趨勢(shì)隨U調(diào)增大而增大。

圖6 不同工況下電子密度

3 結(jié) 論

在大氣壓條件下利用刀片電極滑動(dòng)弧等離子體發(fā)生器對(duì)空氣進(jìn)行電離，并對(duì)滑動(dòng)弧等離子體進(jìn)行光譜特性診斷分析，探究增加Ar和改變電壓對(duì)空氣滑動(dòng)弧放電等離子體的影響，結(jié)果如下：

(1)在大氣壓條件下，空氣滑動(dòng)弧等離子體中的活性粒子主要有波長(zhǎng)分布在306～315 nm間的OH(A2Σ+→X2Π)譜帶，330～450 nm間的N2(C3Πu→B3Πg)第二正帶系，Hα(656.3 nm)及光譜強(qiáng)度較大的波長(zhǎng)777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波長(zhǎng)844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。當(dāng)加入Ar后，增加譜線集中在680～900 nm間的ArⅠ和ArⅡ原子，可以看到，加入Ar能有效幫助空氣滑動(dòng)弧放電。

(2)空氣流量一定，加入Ar能增強(qiáng)O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度在1 580～6 650 a.u.間變化。隨qAr增大，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度先緩慢增長(zhǎng)、再快速增大到極大值、隨后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。電壓對(duì)O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度影響受qAr影響：在低qAr(0～3 L·min-1)，電壓對(duì)O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度變化趨勢(shì)影響較小，而在高qAr(4～6 L·min-1)，隨電壓增大，O(777.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度變化趨勢(shì)有較大變化。

(3)空氣流量一定，Ar加入使OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度明顯增加，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度在235～311 a.u.間變化。隨qAr增大，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度先增大再減小并趨于穩(wěn)定。在較低電壓(100 V)下，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr變化不明顯；而隨電壓增大，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr變化明顯，在低qAr(0～4 L·min-1)，OH(313.4 nm)相對(duì)光譜強(qiáng)度隨qAr增大明顯增大。

(4)空氣流量一定，通入Ar和增大電壓都會(huì)使振動(dòng)溫度增大，振動(dòng)溫度在5 400～8 700 K間變化，其中振動(dòng)溫度隨Ar加入顯著增大，且隨qAr增大先增大再減小，在qAr=3 L·min-1時(shí)達(dá)到極大值。振動(dòng)溫度隨U調(diào)增大而增大，且隨U調(diào)增大，振動(dòng)溫度隨qAr的增長(zhǎng)趨勢(shì)更明顯。

(5)空氣流量一定，通入Ar和增大電壓都使電子密度增大，其中通入Ar能顯著增加電子密度，在qAr=0～4 L·min-1，電子密度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，在1.15～2.04×1017cm-3間變化。隨qAr增大，在低U調(diào)(100～120 V)，電子密度先增大再減小并趨于穩(wěn)定，在高U調(diào)(120～140 V)，電子密度先增大、再緩慢增大并趨于穩(wěn)定。U調(diào)變化也會(huì)影響電子密度：電子密度隨U調(diào)增大而增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)變大。