基于同步辐射诊断方法的等离子体辅助燃烧动力学增强机制研究

The plasma assisted combustion (PAC) has been demonstrated to be an effective technique to extend the flammability limit of low-temperature lean combustion, and enhance combustion performance in supersonic scramjet engine under extreme conditions. Due to the large variation of plasma properties and complicated interactions between plasma and combustion, the role of kinetic enhancement mechanism of PAC is not well understood yet. In order to reveal the kinetic enhancement effects, detailed speciation information on the process of PAC is highly desired. Based on synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry (SVUV-PIMS), the well-defined experimental platform will be developed to investigate the plasma-combustion kinetic enhancement mechanism. A set of C0-C4 hydrocarbons and the fuels with strong low-temperature reactivity will be selected for current study. With this apparatus, the speciation information including ions, excited species and radicals can be probed. With the help of the detailed speciation information, the role of kinetic enhancement mechanism of PAC, especially at the low-temperature, will be revealed. Moreover, kinetic model for the PAC/combustion systems for the selected fuels will be developed and validated.

等离子辅助燃烧技术能够有效地拓展“低温稀燃”技术的稳定燃烧边界，提高超声速燃烧室在恶劣极端环境下燃烧性能。等离子助燃体系物理化学过程复杂，多种增强机制相互强烈耦合，其背后详细的化学反应动力学过程尚不清晰，这需要我们从微观层面提供更多详细的数据支持。本项目拟利用同步辐射装置结合分子束质谱技术，建立适用于研究等离子助燃体系中动力学增强机制的实验平台。在此基础上，选取C0-C4小分子碳氢燃料和具有强低温氧化活性的燃料为研究体系，开展等离子体放电体系中多种反应中间体的在线诊断工作，包含对自由基/离子/激发态分子的综合诊断。利用获得的详细的组分信息，从微观层面探究等离子放电对于燃料氧化或燃烧体系的动力学调控机制，特别是低温阶段。此外，针对所研究的燃料体系，在前人基础上开展等离子体放电辅助燃烧动力学模型的发展和验证工作，最终得到兼具精确性和适用性的等离子体-燃烧反应动力学模型。

本项目顺利完成了预期的研究目标，在基于同步辐射装置结合分子束质谱技术的等离子体助燃动力学实验平台搭建、多种燃料的等离子体辅助低温氧化体系的实验组分诊断以及动力学模型的发展和研究等方向上取得重要研究进展。项目主要的研究内容总结如下：基于同步辐射装置结合分子束质谱诊断技术，构建了研究等离子体辅助低温氧化体系的实验平台。利用此实验平台，对甲烷、乙烯、二甲醚、丙烷、丙酮、丁烷、正庚烷以及异辛烷燃料体系进行了等离子体低温辅助氧化的实验诊断。这些实验提供了丰富的组分信息，包括离子、自由基以及碳氢和含氧分子组分。针对实验体系，我们发展了等离子体-燃烧反应动力学模型，基于实验与模拟的结果，揭示了等离子体辅助低温氧化在不同燃料体系中的动力学增强机制以及重要反应路径，并为进一步的模型验证与发展提供了数据支撑和方向。项目研究期间在高水平SCI期刊发表学术论文总计10篇，EI论文1篇，培养了7名博士生，在国内外学术会议上进行了累计19人次的学术报告。