非热平衡态等离子体增强甲烷稀燃特性及作用机理研究

Non-thermal equilibrium plasma has been reported to be potentially applicable in many combustion scenarios due to its advantage on improving the combustion ef?ciency and reduction of the lean blowoff limit. However, the exact mechanisms for combustion enhancement by plasma are still not sufficiently studied. In this project,the lean combustion characteristics of methane with dielectric barrier discharge are investigated by spectroscopic diagnostics,flow field measurement and combustion products analysis. The discharge characteristics in methane,air,premixed methane/air are investigated respectively with different discharge parameters and flow velocity firstly. Then the discharge is spatially and temporally separated from the combustion reaction zone to study the effect of thermal enhancement and kinetic enhancement respectively. The coupling effect between the plasma and the flame is also investigated.The effect of plasma on flame structure is explored due to ?ow turbulization. After that, numerical model is developed to investigate plasma-assisted combustion kinetic mechanisms.The objectives of this project are to elucidate the fundamental mechanisms of thermal enhancement, kinetic enhancement and turbulization effect and provide technical support for improving the efficiency of plasma-assisted combustion.

近年来非热平衡态等离子体助燃技术在提高燃烧效率和拓展燃烧极限方面表现出良好的应用前景，但是非热平衡态等离子体助燃的内在机制和主导因素仍然不明确。本课题采用光谱诊断、流场测量、燃烧产物分析等手段，对介质阻挡放电等离子体作用下甲烷气体的稀燃特性开展系统研究。分别研究甲烷、合成空气以及甲烷/空气预混气体中的等离子体放电特性，获得放电条件、气流速度等因素对放电特性的影响规律；研究放电等离子体和燃烧区域在空间分离和耦合状态下燃烧特性的变化规律，深入分析温度效应、动力增强效应的影响机制；研究放电等离子体对层流预混火焰结构的影响，明确等离子体放电对流场的作用及对燃烧的影响；在此基础上通过建立等离子体辅助燃烧动力学模型，仿真分析非热平衡态离子体辅助燃烧的作用机理。本课题旨在明确非热平衡态等离子体助燃的内在机制，得到温度、动力学、流场等因素在等离子体助燃中的影响规律，为改善等离子体助燃效果提供技术支撑

近年来非热平衡态等离子体助燃技术在提高燃烧效率和拓展燃烧极限方面表现出良好的应用前景，但是非热平衡态等离子体助燃的内在机制和主导因素仍然不明确。本课题旨在明确非热平衡态等离子体助燃的内在机制，得到温度、动力学、流场等因素在等离子体助燃中的影响规律，为改善等离子体助燃效果提供技术支撑。. 为此，搭建了一套等离子体辅助燃烧装置及放电与燃烧特性诊断系统，对介质阻挡放电（DBD）产生的非热平衡态等离子体及其对甲烷助燃的特性开展了系统研究。首先，通过光电联合诊断的方式，研究了同轴中心型DBD电极结构下CH4/O2/He预混气体的光电特性及燃烧特性。研究了外施电压、当量比等因素的影响，分析了DBD等离子体区域活性粒子主要的反应路径，并基于光谱结果诊断获得了等离子体关键参数，研究了等离子体对CH4/O2/He预混燃烧传播速度、火焰温度等特性的影响。然后，在同轴中心型DBD助燃装置的基础上，加入多孔陶瓷作为阻挡介质，开展光电特性及助燃特性的研究。获得了各流量下不同O2比例的稀燃极限，等离子体作用后，脱火的当量比可降低0.1~0.2，且作用一段时间后将电压调至零，火焰仍能维持稳定燃烧。再者，建立了基于大气压DBD等离子体作用下的甲烷氧化零维仿真模型，获得了CH4/O2/He混合气体电化学反应的粒子浓度变化、化学反应路径及等离子体作用下的反应机理。最后，结合实验与仿真的研究，从温升、化学动力学、流场等方面探讨了等离子体和电场的辅助燃烧机理。首先，等离子体的温升效应对燃烧反应有一定的增强效果；然后，光谱分析与仿真结果共同显示了高能电子碰撞促成大量的O和OH自由基产生以及He、O2间发生的彭宁反应在助燃过程中对提升燃烧中链式反应速率有重要作用；最后，当电场作用于火焰时，产生离子风扰动流场，促进燃料与助燃剂的混合，增强燃烧效果。. 本项目利用同轴中心型DBD助燃装置可产生大面积、均匀稳定的低温等离子体，展示其对预混火焰燃烧有明显的增强效果。同时，通过实验和仿真研究加深了对等离子体助燃机理的认识。