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激光激活氧分子助燃CH_4/O_2预混燃烧理论与实验研究

作　者: 邵强
导　师: 于欣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光助燃 激发态氧分子 H2/O2反应 CH4/O2反应 点火延迟时间
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 13次
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内容摘要


随着航空航天技术的进步,发展大推力火箭和高超声速飞行器的需要对燃料燃烧速率提出了更高的要求。因此,如何有效的提高燃烧反应速率,降低燃料点火温度成为当前研究的热点,激光助燃点火技术的应用为提高化学反应速率提供了新的手段。目前为止,广泛研究的激光助燃点火技术主要有激光诱导热点火,激光诱导光化学点火,激光诱导火花点火。最近,俄罗斯学者提出了一种采用激光激活反应分子至某一激发态降低反应活化能从而到达助燃目的的新方法。本文对层流预混条件下激光激活反应分子的助燃机理进行了理论模拟计算和实验上的研究,此外,还对激光等离子体助燃方法进行了实验研究和模拟计算。本文在对氧分子的X3Σg--b1Σg+和X3Σg--a1-g三重禁戒跃迁机理,以及燃烧化学反应动力学过程分析的基础上,建立了含有激光激励氧分子动力学过程的层流预混燃烧反应动力学模型,计算了包含b1Σg+、a1-g激发态氧分子反应的活化能。在此基础上,利用气相化学反应动力学软件CHEMKIN模拟计算了762nm和1268nm激光激励氧分子到b1Σg+和a1-g态的H2/O2和CH4/O2预混燃烧反应动力学过程,发现在激光作用下点火延迟时间明显减小。反应边界条件为T=900K、压强1atm、吸收程长103cm时,无激光时H2/O2反应延迟时间0.05326s,762nm激光功率10kW/cm2时反应延迟时间0.0184s,减小了65%;反应边界条件为T=1000K、压强1atm、吸收程长103cm时,无激光时CH4/O2反应延迟时间0.2343s , 762nm激光功率10kW/cm2时反应延迟时间0.02861s,减小了87%。此外,还分析了激光功率密度、温度、压强等条件对燃烧反应过程的影响规律。设计并搭建了用于研究火焰传播特性,测量火焰传播速度的燃烧反应实验平台,利用该实验台进行了762nm激光激活氧分子层流预混助燃实验研究,采用本生灯法测量了激光作用前后的火焰传播速度,无激光作用时火焰传播速度152.91mm/s,761nm激光作用下火焰传播速度166.33mm/s,761.5nm作用下162.06mm/s,762nm作用下158.35mm/s,分别提高了8.77%,5.98%,3.55%。采用飞秒激光进行了激光激活氧分子层流预混助燃实验研究,利用本生灯法测量了火焰传播速度的变化,实验发现激光作用后火焰传播速度明显提高,无激光作用时火焰传播速度157.15mm/s,激光聚焦在管口、管口下、管口侧面、焰尖四个不同位置火焰传播速度分别为176.71mm/s,172.02mm/s,188.57mm/s,184.19mm/s,提高了12.4%,9.46%,19.99%,17.21%。通过测量其荧光光谱对其助燃机理进行了分析,发现O、O+、O2+的生成是造成火焰传播速度提高的主要原因。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-17
  1.1 课题背景及研究意义  10-11
  1.2 激光助燃方法概述  11-14
    1.2.1 激光诱导热点火方法  11
    1.2.2 激光诱导光化学点火方法  11-12
    1.2.3 激光诱导火花点火方法  12-13
    1.2.4 激光激活分子助燃方法  13-14
  1.3 国内外研究进展  14-15
  1.4 本论文的主要内容  15-17
第2章 激光助燃理论基础  17-28
  2.1 氧分子能级结构及光谱特性  17-20
    2.1.1 分子光谱的基本理论  17-19
    2.1.2 氧分子的能级结构及光谱特性  19-20
  2.2 化学反应动力学理论  20-27
    2.2.1 化合物的生成焓和反应焓  20-21
    2.2.2 当量比和过量空气系数  21
    2.2.3 化学反应速率  21-22
    2.2.4 化学反应级数  22
    2.2.5 化学反应平衡常数  22-23
    2.2.6 链式反应  23-25
    2.2.7 阿伦尼乌斯定理  25-27
  2.3 本章小结  27-28
第3章 激光激活氧分子助燃模型的建立及分析  28-55
  3.1 CHEMKIN 软件简介  28
  3.2 建模预处理  28-32
    3.2.1 反应器模型的建立  29-30
    3.2.2 气相动力学的输入  30
    3.2.3 热力学数据的输入  30-31
    3.2.4 传输动力学的输入  31-32
  3.3 反应活化能的计算  32-34
  3.4 激光激活氧分子H_2/O_2 反应计算  34-39
    3.4.1 H_2/O_2 反应延迟时间对比  36-37
    3.4.2 H_2/O_2 反应组分浓度变化  37-39
  3.5 激光激活氧分子CH_4/O_2 反应计算  39-45
    3.5.1 CH_4/O_2 反应延迟时间对比  42-44
    3.5.2 CH_4/O_2 反应组分浓度变化  44-45
  3.6 激光功率密度对点火延迟时间的影响  45-46
  3.7 温度对点火延迟时间的影响  46-49
  3.8 压强对点火延迟时间的影响  49-51
  3.9 吸收程长对点火延迟时间的影响  51-52
  3.10 当量比对点火延迟时间的影响  52-53
  3.11 本章小结  53-55
第4章 激光助燃实验研究  55-70
  4.1 燃烧实验平台的设计与搭建  55-57
    4.1.1 燃烧室及混气罐基本尺寸的确定  56
    4.1.2 质量流量控制器的选取  56-57
    4.1.3 热电偶的选取及安装  57
  4.2 本生灯法测定火焰传播速度方法  57-60
  4.3 762nm 激光激活氧分子助燃实验  60-63
  4.4 飞秒激光激活氧分子助燃实验  63-68
  4.5 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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