包邮等离子体调控燃烧过程的光学诊断和机理研究

本书特色

本书面向先进燃烧动力设备不断技术发展的新需求，以等离子体助燃中的共性问题为核心开展系统性研究，具有重要学术意义。

内容简介

本书面向先进燃烧动力设备不断技术发展的新需求，设计典型等离子体助燃实验发展关键物理量光学诊断技术，揭示了等离子体/电场-流场-火焰场中主要物理量之间的作用规律，形成了等离子体/电场直接调控燃烧过程的新方法。本书围绕非平衡等离子体调控燃烧动力学和光学诊断开展了以下工作：（1）揭示了等离子体射流的湍流特征及电场力随雷诺数的变化规律，解耦出等离子体射流对平面火焰的流体动力学效应，构建了流场拉伸条件下的火焰传递函数模型；（2）发展了适用于燃烧过程的皮秒级电场诱导二次谐波技术及标定方法，率先开展了等离子体助燃环境中的瞬态电场测量，揭示了电场-火焰离子相互作用改变火焰结构和稳定性的机制；（3）设计了旋转滑动弧放电，在宽雷诺数范围内大幅度拓宽了甲烷预混旋流火焰的贫燃极限，揭示了滑动弧持续点火和增强燃烧稳定性的机制，形成了等离子体直接调控燃烧过程的新方法。

前言

燃烧是火箭发动机、航空发动机和地面热能设备的主要动力来源，随着国家航空航天和燃机技术的发展，燃烧科学在国防安全和国民经济中的地位更加重要，不断与复杂化学反应动力学、非线性光学、多相流体力学和等离子体物理等学科交叉融合，涌现了一批新型燃烧技术。其中，等离子体调控燃烧由于响应迅速、路径多样和直接作用于火焰锋面等优势，在近10年得到了广泛关注和快速发展，成为提高发动机性能和实现清洁燃烧的关键技术路线。

等离子体是一类由自由移动的带电粒子(电子、离子等)和中性粒子组成的特殊物质，表现出准电中性和集体行为。燃烧反应过程会生成少量自由移动的电子和离子，因此火焰也可视为一种弱电离的等离子体。研究等离子体助燃的挑战主要来自等离子体和燃烧体系中多物理场、多尺度作用及非线性效应，流场、电场、温度、电子密度和组分等物理量的准确测量十分困难，且这些物理量之间存在复杂的耦合关系。因此我们首先做的工作是建立标准等离子体放电装置及燃烧器，同时发展先进光学诊断技术，实现等离子体助燃体系中重要物理量的瞬态测量，厘清等离子体与燃烧相互作用的关键物理化学路径。

对等离子体助燃过程的光学诊断可以大致分为等离子体诊断和燃烧诊断两类。一方面，传统的燃烧诊断技术如平面激光诱导荧光（PLIF），在等离子体助燃过程中仍然适用。而粒子图像测速（PIV）技术，由于示踪粒子和等离子体的相互作用及荷电颗粒在电场驱动下产生漂移速度，其适用性和测量精度需要重新论证。另一方面，等离子体诊断主要涉及电场强度、带电粒子密度和能量，本书对电子密度的测量是借鉴了清华大学工程物理系蒲以康教授课题组基于碰撞辐射模型开发的谱线法； 而对电场的测量则是与美国俄亥俄州立大学Igor Adamovich教授团队合作，发展了适用于燃烧过程的皮秒级电场诱导二次谐波技术及标定方法。

在机理研究阶段，我们主要使用了介质阻挡放电（DBD）和纳秒脉冲放电作为等离子体源，耦合对冲火焰燃烧器开展研究。前期在美国普林斯顿大学罗忠敬教授和朱德林先生的指导下，课题组吴宁博士建立了一套集成预热、水冷、测温和压力调节的对冲火焰系统。我们将燃烧器下喷嘴改造成DBD等离子体发生装置，通过测量流场脉动、电子密度和估计电场体积力，揭示了等离子体射流的湍流特征及电场力随雷诺数的变化规律； 继而，通过巧妙的实验设计解耦了等离子体射流对平面火焰的流体动力学效应和化学效应，构建了流场拉伸条件下的火焰传递函数模型，获得了等离子体对不同拉伸率下甲烷火焰点熄火边界的调控规律。此外，在新建立的缩尺对冲火焰装置上，我们开展了静电场及等离子体助燃环境中的瞬态电场矢量测量，揭示了电场火焰相互作用改变火焰结构和稳定性的机制。

进一步地，我们将目光投向等离子助燃的应用基础研究上，首先是沿用介质阻挡放电和对冲火焰装置，测试了等离子体对正庚烷、异辛烷和正癸烷等模型化合物预蒸发气体着火过程的促进作用；结合关键中间产物测量和数值计算，揭示了等离子体促进饱和烷烃燃料裂解并促进其着火特性的化学及输运机制。此外，针对民用航空发动机和地面燃机低氮贫燃不稳定燃烧，以及战斗机高空机动和二次点火困难，设计滑动弧等离子体装置实现了宽雷诺数范围的旋流火焰直接调控，有效地改善了点熄火边界和燃烧不稳定性，并结合光学诊断和理论分析，总结了滑动弧的持续释热、自由基生成，以及电场火焰作用等不同机制。

希望本书内容能够促进等离子体调控燃烧领域的发展，引起人们对新概念燃烧技术的重视。我们注意到，随着国家“双碳目标”及可持续发展战略的实施，除了面向传统的碳氢燃料外，等离子体在调控氨和离子液体推进剂等绿色燃料燃烧方面也开始发挥更多作用。

等离子调控燃烧是燃烧反应路径调控领域的前沿和难点，受研究水平和条件限制，书中难免有不足之处，恳请同行专家和广大读者指正。

姚强李水清清华大学能源与动力工程系2022年2月

作者简介

唐勇，2011年8月考入清华大学热能工程系能源动力系统及自动化专业，2015年7月本科毕业并获得工学学士学位。2015 年 8月免试进入清华大学热能工程系（现更名为能源与动力工程系）攻读动力工程及工程热物理专业博士至今。其间2018 年 2 月至 2019 年 1月获国家留学基金委资助赴美国俄亥俄州立大学机械与航天工程系访问交流。