超声速气流中气态碳氢燃料激光诱导等离子体点火机理研究

Laser induced plasma ignition is proposed in this project for reliable and robust gaseous hydrocarbon fuel ignition in scramjet engine. The present research team has achieved success laser induced plasma ignition of ethylene in Ma2.52 flow. But the mechanism is still unclear. Flow diagnostics like high-speed Schlieren photography, PIV, acetone-PLIF, high-speed photography and OH/CH-PLIF will be used in this project. The flowfield in the supersonic flow with cavity will be studied extensively to obtain the evolution and quantitative distribution of shock wave structures, large scale turbulent structure, velocity distribution and fuel concentration. The research will then be focused on the dynamic process of laser induced plasma ignition in hydrocarbon fuel. The dynamic evolution of gas breakdown, plasma formation and flame kernel generation and developing under the partially mixed flow condition will be observed. The effect of pressure, local velocity, local equivalence ratio, turbulent dissipation rate on the ignition energy, ignition probability and flame kernel generation and growth will be revealed. The OH and CH concentration distribution in the flame kernel and initial flame propagation dynamic process will be measured. The propagation path of chemical reaction in gas velocity field and fuel concentration field will be studied. And eventually, the mechanism of laser induced plasma ignition in supersonic flow will be clarified. This will improve the understanding of ignition process in supersonic flow and provide reliable ignition technique for scramjet engine.

本项目围绕超燃冲压发动机中碳氢燃料点火问题，提出采用激光诱导等离子体方法实现稳定可靠点火。项目组已在Ma2.52来流中成功实现乙烯燃料的激光点火，但机理尚不清楚。利用高速纹影、PIV、丙酮-PLIF、高速摄影、OH/CH-PLIF技术等，研究超声速气流中点火前的无反应流场，获得流场波系、湍流大尺度结构、速度场及燃料化学组分的动态发展和定量分布；研究激光诱导等离子体点火过程，获得强对流非预混条件下火核形成与初始火焰传播的过程，明晰压力、局部速度、燃料局部当量比、湍流耗散率等对点火能量、着火概率、火核生成增长的影响规律；研究火核产生及初始火焰传播过程中的OH基及CH基浓度分布随时间变化，获得化学反应区位置、形态、火焰厚度和传播路径，最终揭示超声速气流中激光诱导等离子体点火机理。项目的研究将加深对超声速气流中碳氢燃料点火过程认识、明晰激光诱导等离子体点火的机理，为超燃冲压发动机激光点火奠定基础。

本项目围绕超燃冲压发动机中碳氢燃料点火问题，提出采用激光诱导等离子体方法实现超声速气流中碳氢燃料的稳定可靠点火。项目采用数值模拟，高分辨率高速摄影/纹影和自发辐射成像等试验手段开展了研究。在点火前无反应流场的研究中，获得了流场波系、湍流大尺度结构、速度场及燃料化学组分的动态发展和定量分布，初步明晰了凹腔剪切层与燃料射流的相互作用过程。 .其次研究了静态大气中的单、双脉冲激光诱导等离子体（LIP）演化过程。结果表明，单脉冲LIP的能量吸收率随着入射激光能量的增加而提高。脉冲间隔小于200ns的双脉冲LIP在能量吸收率和激波损失方面均略逊于具有相同总能量的单脉冲LIP，但是双脉冲击穿过程的初始等离子体具有更大的体积，热羽流的能量耗散更小。脉冲间隔大于200ns时，第二个脉冲的能量不能被有效吸收，而且第二道激波的产生提高了热羽流的湍流度，进而大大增强了能量和自由基的耗散。.再次，在超声速气流中采用单脉冲LIP点火考察了点火能量和位置对火核发展过程的影响。提高点火能量可以加快火焰传播过程，缩短点火所需时间，提高点火成功概率。在流向上，凹腔中部可以在初始火核尺寸和湍流耗散之间取得较好的平衡，是比较理想的点火位置。在垂直于凹腔底部的方向上，在贴近凹腔壁面的位置进行点火可以有效减少凹腔剪切层对初始火核的耗散，有利于加快点火过程。.最后，考察了激光脉冲间隔对双脉冲LIP点火过程的影响。脉冲间隔小于40μs的双脉冲LIP点火在火核发展过程、完成点火所需时间和点火可靠性方面与具有相同总能量的单脉冲LIP点火没有明显差异。所以在工程上可以采用两个小功率的激光器代替一个大功率的激光器进行点火。但当脉冲间隔为~100μs时，第一个激光脉冲形成的火核在输出第二个激光脉冲之前已被湍流耗散严重削弱，进而导致火核发展速度延缓，点火可靠性降低。.通过这些研究加深了对超声速气流中碳氢燃料点火过程的认识、明晰激光诱导等离子体点火的机理，为超燃冲压发动机激光点火奠定了一定基础