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激光诱导气体等离子体对甲烷火焰稳定性影响的研究

作　者: 杨晓川
导　师: 孙锐
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 飞秒激光激光诱导等离子体稳燃极限数值模拟
分类号: V231.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 24次
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内容摘要

近年来，在航空航天领域，高超声速飞行器技术得到了迅速的发展。超燃冲压发动机目前被普遍认为是高超声速飞行器的最佳动力系统，已经成为世界各国竞相关注的研究热点。如何实现在燃烧室内高效稳定的点火和超声速燃烧，是超燃冲压发动机所面临的难度最大的技术之一。由于传统的稳燃方法无法很好地稳定超燃冲压发动机的火焰燃烧，因此，等离子体稳燃的概念逐渐受到人们的关注。与放电等离子体相比，激光诱导等离子体稳燃方法由于其非接触性、高重频、可在空间任何位置产生等离子体等诸多优点，非常适合于超燃冲压发动机的稳燃。在分析了目前激光诱导等离子体稳燃方法研究工作中存在的不足之后，提了本文的研究内容，并对激光击穿气体产生等离子体的原理和激光诱导等离子体稳定火焰燃烧的理论模型进行了阐述，确定了实验方案和实验工况。根据研究内容，搭建了激光诱导等离子体稳燃实验平台，并研究了化学当量比、氧气体积百分比、激光脉冲能量和激光焦点的作用位置等因素对于火焰脱火极限的影响规律。实验发现，化学当量比从0.7变化到1.0时，脱火极限提高率为9.3%变到25%；氧气体积百分比增大到22.2%时，脱火极限可以提高87.4%；脉冲能量增大到1.82mJ时，脱火极限提高了53.8%；激光光束聚焦在离管口3倍管径的高度，火焰依然可以稳定燃烧。这些都充分证明了激光诱导等离子体稳燃方法的可行性和稳燃效果。通过实验中观测到的自发辐射荧光光谱，确定了在飞秒激光的作用下，产生了O、CH、H、CH₃等活性粒子。利用FLUENT软件，将甲烷燃烧的化学反应与气体流动相耦合，计算了O、CH₃两种活性粒子和激光焦点位置对于火焰稳燃极限的影响，对于激光诱导等离子体稳燃方法的机理有了更深的认识，从机理上验证了此方法的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 等离子体稳燃方法概论  9-11
  1.3 国内外研究现状  11-13
  1.4 本文的研究内容  13-14
  1.5 本章小结  14-15
第2章激光诱导等离子体稳燃实验平台  15-23
  2.1 引言  15
  2.2 实验平台介绍  15-22
    2.2.1 配气系统  17-19
    2.2.2 本生灯燃烧器  19
    2.2.3 激光器系统  19-20
    2.2.4 火焰图像测量系统  20-22
  2.3 本章小结  22-23
第3章激光诱导等离子体稳燃实验研究  23-40
  3.1 激光诱导等离子体稳燃原理  23-27
    3.1.1 激光诱导等离子体原理  23-24
    3.1.2 激光诱导等离子体稳燃原理  24-27
  3.2 实验方案  27-28
  3.3 实验工况  28-30
  3.4 实验结果与分析  30-38
    3.4.1 无激光作用时甲烷预混层流火焰的脱火极限  30-33
    3.4.2 脱火极限随化学当量比的变化规律  33-34
    3.4.3 脱火极限随氧气体积百分比的变化规律  34-35
    3.4.4 脱火极限随激光脉冲能量的变化规律  35-37
    3.4.5 脱火极限随激光焦点位置的变化规律  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章激光诱导等离子体稳燃数值模拟研究  40-59
  4.1 FLUENT 软件简介  40
  4.2 激光诱导等离子体稳燃数值计算模型介绍  40-47
    4.2.1 几何模型建立及网格划分  41-42
    4.2.2 层流有限速率模型  42-44
    4.2.3 辐射换热模型  44-45
    4.2.4 化学反应机理  45-47
  4.3 激光诱导等离子体稳燃数值模拟研究  47-58
    4.3.1 无激光作用时脱火极限的判定  49-51
    4.3.2 有激光作用时脱火极限的判定  51-53
    4.3.3 稳燃的作用机制  53-55
    4.3.4 O 对甲烷火焰稳定性影响的研究  55-56
    4.3.5 CH_3对甲烷火焰稳定性影响的研究  56-57
    4.3.6 激光焦点位置对甲烷火焰稳定性影响的研究  57-58
  4.4 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-65
攻读学位期间发表的学术论文  65-66
攻读学位期间申请的发明专利  66-69
致谢  69

激光诱导气体等离子体对甲烷火焰稳定性影响的研究

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