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等离子体流动控制与点火助燃研究进展

高电压技术 2014年第7期40卷 2024-2038页

作者：吴云李应红空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038 西安交通大学高电压技术教研室西安710049

等离子体流动控制与点火助燃在改善飞行器气动特性与推进效能方面具有广阔前景,为此主要综述了国内外等离子体流动控制与点火助燃的研究现状,并对未来发展中的关键科学与技术问题进行展望。等离子体流动控制研究方面,介质阻挡放电、电... 详细信息

等离子体流动控制与点火助燃在改善飞行器气动特性与推进效能方面具有广阔前景,为此主要综述了国内外等离子体流动控制与点火助燃的研究现状,并对未来发展中的关键科学与技术问题进行展望。等离子体流动控制研究方面,介质阻挡放电、电弧放电等离子体气动激励原理与特性,以及等离子体气动激励抑制分离流动、减弱激波强度的原理取得重要进展;推迟附面层转捩、抑制激波/附面层干扰成为新的研究热点;部分技术已转向关键技术攻关。等离子体点火助燃研究方面,实现了缩短点火延迟时间、改变火焰稳定模式、低温点火等显著效果;发现了氧原子的主要产生渠道及其助燃机制、NOx对点火的催化效应;建立了简单碳氢燃料的等离子体助燃模型;部分技术已经应用。等离子体流动控制与点火助燃的未来发展将呈现交叉融合的趋势,在机理研究层面,将发展新的等离子体产生方式,建立多时间、空间尺度的原位测试与耦合模拟方法,揭示等离子体对流动和燃烧的作用机制,提升高速、高压等复杂环境下的流动控制与点火助燃效果;在技术研究层面,将进一步突破小型化高效电源、长寿命等离子体激励器等关键技术,提高技术成熟度。

关键词：等离子体流动控制点火助燃气动激励点火延迟时间等离子体激励器

反向和同向旋流滑动弧等离子体点火助燃头部的燃烧特性

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燃烧科学与技术 2024年第3期30卷 311-322页

作者：刘磊胡长淮陈一屈美娇王宇许书英空军工程大学航空工程学院西安710038 西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学航天航空学院西安710049 航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室西安710381 西安工程大学机电工程学院西安710600

非平衡态等离子体点火助燃技术是新型的燃烧调控技术.面对航空发动机燃烧室稳定燃烧的迫切需求,为发挥滑动弧等离子体技术在改善雾化、提高燃烧效率等方面的优势,搭建了航空发动机燃烧室实验平台,并开展了不同旋流方向下滑动弧放电等离... 详细信息

非平衡态等离子体点火助燃技术是新型的燃烧调控技术.面对航空发动机燃烧室稳定燃烧的迫切需求,为发挥滑动弧等离子体技术在改善雾化、提高燃烧效率等方面的优势,搭建了航空发动机燃烧室实验平台,并开展了不同旋流方向下滑动弧放电等离子体的燃烧特性实验.实验通过采集燃烧过程OH^(*)化学发光强度图像,着重分析了不同旋流方向滑动弧等离子体对燃烧室燃烧强度、温度分布以及燃烧效率的影响.研究表明,施加等离子体助燃后,燃烧室内的平均已燃区相对强度明显提升,且反向旋流等离子体助燃的提升效果更加明显;反向旋流滑动弧助燃的径向温度分布相较于同向旋流滑动弧助燃均匀性提升,当余气系数为2.0时,反向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.3022,同向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.3223;反向旋流滑动弧助燃的燃烧效率高于同向旋流滑动弧放电的燃烧效率,当余气系数为2.0时,反向旋流等离子体助燃的燃烧效率为89.56%,同向旋流等离子体助燃的燃烧效率为83.41%.

关键词：燃烧室头部滑动弧等离子体反向旋流同向旋流点火助燃

超声速条件下等离子体点火助燃技术的研究进展

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激光杂志 2016年第8期37卷 6-9页

作者：吴华李倩李强方娟中国人民解放军63601部队装备学院激光推进及其应用国家重点实验室

用作高超声速飞行器动力装置的超燃冲压发动机是当前世界各航天大国关注的热点,然而在超声速条件下,燃料的点火及燃烧是一个十分难以解决的问题。在众多的加速点火和强化燃烧方法中,等离子体放电能够同时提高燃气温度和增加活性基浓度,... 详细信息

用作高超声速飞行器动力装置的超燃冲压发动机是当前世界各航天大国关注的热点,然而在超声速条件下,燃料的点火及燃烧是一个十分难以解决的问题。在众多的加速点火和强化燃烧方法中,等离子体放电能够同时提高燃气温度和增加活性基浓度,从而被认为是最有效的方法。介绍了等离子体加速点火及强化燃烧的原理,对国内外在超声速条件下的等离子体点火助燃技术研究进行了综述和分析,指出机理研究是当前必须引起重点关注的问题,同时提出了针对机理研究的几点建议,期望为超燃冲压发动机的进一步发展提供参考。

关键词：等离子体点火助燃超声速燃烧超燃冲压发动机综述

等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的应用

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航空发动机 2018年第3期44卷 12-20页

作者：于锦禄黄丹青王思博于庆灏程行远蒋陆昀何立明空军工程大学航空航天工程学院西安710038

等离子体点火与助燃技术是能源与动力领域的研究前沿。介绍了等离子体点火与助燃技术的研究背景和意义,分析了其基本原理,给出了常见的等离子体点火与助燃的类型,阐述了等离子体通过热强化、动力学强化与输运强化3种强化燃烧机制,利于... 详细信息

等离子体点火与助燃技术是能源与动力领域的研究前沿。介绍了等离子体点火与助燃技术的研究背景和意义,分析了其基本原理,给出了常见的等离子体点火与助燃的类型,阐述了等离子体通过热强化、动力学强化与输运强化3种强化燃烧机制,利于点火助燃。针对国内外等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的研究现状,提出了预燃式等离子体射流点火和旋转滑动弧助燃2种新型等离子体点火助燃方案,对等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的实际应用进行了展望。

关键词：等离子体点火助燃射流点火航空发动机

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低热值燃料点火与助燃方法研究

低热值燃料点火与助燃方法研究

作者：李沛泽哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

我国每年低热值燃料的产量非常大,2017年我国煤气产量达10626.9亿立方米,累计增长3.9%,其中高炉煤气是炼钢生产中产生的伴生气,但由于技术上的不成熟,我国每年浪费掉的高炉煤气的总量相当于标煤900万吨,这是一种巨大的能源浪费,而且高... 详细信息

我国每年低热值燃料的产量非常大,2017年我国煤气产量达10626.9亿立方米,累计增长3.9%,其中高炉煤气是炼钢生产中产生的伴生气,但由于技术上的不成熟,我国每年浪费掉的高炉煤气的总量相当于标煤900万吨,这是一种巨大的能源浪费,而且高炉煤气由于热值较低在燃气轮机中点火困难,燃烧稳定性差,容易熄火?等离子体的点火助燃强化燃烧技术具有点火延迟时间短?点火能量高及活化助燃等优点,因此其具有解决上述低热值气体能源浪费的潜力?针对低热值燃料点火困难、火焰传播速度慢等问题,本文通过实验与数值模拟对低热值燃料等离子点火助燃特性进行了研究,主要研究内容如下:(1)通过碰撞面信息求解玻尔兹曼方程建立反应动力学模型,在该反应动力学模型基础上利用CHEMKIN软件的plasma PSR模块从一氧化碳含量、化学当量比、反应温度各个参数计算对点火延迟时间的影响,最后针对温度和OH进行敏感性分析,分析对温度和点火延迟时间影响最大的反应。(2)利用FLUENT软件,基于真实燃烧室模型对等离子体助燃低热值燃料进行数值模拟,采用Realizable k-ε湍流模型、涡耗散燃烧模型对燃烧室子午面温度分布、子午面速度分布、火焰长度、燃烧效率等燃烧室重要参数进行数值模拟。(3)采用实验方法对低热值燃料点火器在空气中的放电特性进行光学测量,并对低热值燃料进行点火实验,获得了低热值燃料点火边界。(4)简化燃烧室头部复杂结构,利用FLUENT软件模拟低热值燃料点火过程,并从热效应、化学效应和气动效应三个方面探究等离子体对低热值燃料点火特性的影响。

关键词：燃气轮机低热值燃料等离子体点火助燃动力学模型

等离子体激励调控流动与燃烧的研究进展与展望

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中国科学：技术科学 2020年第10期50卷 1252-1273页

作者：李应红吴云空军工程大学航空工程学院等离子体动力学重点实验室西安710038

等离子体激励调控流动与燃烧,是航空科技与等离子体技术交叉领域的研究前沿,在飞机增升减阻、发动机扩稳增效和拓展使用边界方面具有重要而广阔的应用前景.本文综述了本课题组的研究进展,主要包括:针对等离子体激励特性与优化的基础问题... 详细信息

等离子体激励调控流动与燃烧,是航空科技与等离子体技术交叉领域的研究前沿,在飞机增升减阻、发动机扩稳增效和拓展使用边界方面具有重要而广阔的应用前景.本文综述了本课题组的研究进展,主要包括:针对等离子体激励特性与优化的基础问题,建立了多物理场耦合仿真模型和优化方法;针对提升等离子体流动控制能力的关键问题,建立了等离子体冲击流动控制理论,发展了适用于亚声速和超声速流动控制的等离子体冲击激励方法;针对飞机增升减阻与拓展使用边界的重要需求,发展了高升力机翼、飞翼等典型机翼等离子体流动控制与防除冰方法;针对发动机扩稳增效的重要需求,发展了压气机泄漏流动与分离流动、进气道分离流动等离子体激励调控方法;针对发动机拓展点火与燃烧边界的重要需求,发展了多通道放电等离子体点火方法、滑动弧等离子体点火助燃方法.最后,对基于等离子体激励的流动与燃烧调控技术发展进行展望.

关键词：等离子体激励流动控制点火助燃飞机发动机压气机燃烧室

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等离子体辅助甲烷点火燃烧的LES数值研究

等离子体辅助甲烷点火燃烧的LES数值研究

作者：崔景龙大连理工大学

学位级别：硕士

近年来随着国民经济平稳发展、结构调整和转型升级的持续推进,作为清洁能源天然气的消费实现超预期增长。如何解决天然气点火和燃烧过程中不稳定性以及污染物的排放越来越成为人们关注的焦点,等离子体在这一领域有着广阔的前景。其中,... 详细信息

近年来随着国民经济平稳发展、结构调整和转型升级的持续推进,作为清洁能源天然气的消费实现超预期增长。如何解决天然气点火和燃烧过程中不稳定性以及污染物的排放越来越成为人们关注的焦点,等离子体在这一领域有着广阔的前景。其中,在航空领域等离子体点火助燃已经被应用于航空发动机等飞行器,以解决发动机点火困难,点火边界窄等问题。然而,受到测量方法的限制,在三维燃烧室中对等离子体助燃瞬态过程作用机理的研究还未完全清晰。因此,本文基于OpenFOAM开源平台,对等离子体辅助甲烷点火燃烧进行了大涡模拟(LES)的数值研究。首先,运用reactingFoam求解器对湍流模型和燃烧模型进行调用,以解决湍流燃烧条件下的复杂化学反应过程。选用LES-Smagrinsky湍流模型、PaSR燃烧模型和详细化学反应机理,搭建了同轴射流燃烧室甲烷湍流燃烧的模拟平台。通过与实验进行比对,发现模拟预测值与实验吻合较好,验证了本文选用求解器和数学模型的准确性,并构建了总网格数为981600的等离子体助燃模型。其次,通过对点火过程重要物理参量进行监测,着重研究了等离子体和压力对点火的促进作用。模拟结果表明,等离子体O的添加在达到后台阶位置处时开始影响到火焰的传播过程,提高了火焰传播速度,加快了点火进程。而压力的升高在等离子体点火开始时便影响到火焰的传播过程,对等离子体点火的促进作用更明显。此外,研究了不同初始条件下H等自由基对点火延迟时间的影响。结果表明,燃烧室初始压力和点火温度的升高,缩短了点火延迟时间并有利于火焰的快速稳定。压力的升高有利于等离子体对点火过程的加速效应,等离子体对低温工况下点火过程的加速效果更明显。最后,对湍流燃烧充分发展时间段进行平均统计,研究了等离子体对燃烧的强化作用,压力对等离子体燃烧的影响以及污染物的排放。结果表明,等离子体O的添加使得火焰的涡结构保持连续,火焰回流区前移,对低温区(回流区)的助燃效果更明显,减小了湍流速度场中的轴向脉动v ’v ’,从而强化燃料与氧化剂的相互掺混,稳定再循环区。而压力的升高导致火焰的涡结构出现断裂,火焰回流区面积减小,燃料和空气的混合较差,等离子体对低温区(回流区)的助燃作用减弱,增大了湍流速度场中的轴向脉动v ’v ’,不利于燃烧与氧化剂的相互掺混,导致燃烧不充分,造成再循环区的不稳定。此外,等离子体O的添加有利于减小燃烧过程中NO的排放,而压力的升高则不利于减小等离子体燃烧过程中NO的排放。

关键词： OpenFOAM 大涡模拟等离子体点火助燃

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电火花连锁微波放电等离子体装置及机理研究

电火花连锁微波放电等离子体装置及机理研究

作者：常海军安徽理工大学

学位级别：硕士

面对日益严峻的环境问题,人们对能源的利用率以及污染物的排放量提出了更高的要求,而汽车尾气的排放是城市空气受到污染的主要来源之一。带有浓烟的汽车尾气主要是因为发动机内燃料燃烧不充分,导致有害气体和颗粒物排放到空气中而形成... 详细信息

面对日益严峻的环境问题,人们对能源的利用率以及污染物的排放量提出了更高的要求,而汽车尾气的排放是城市空气受到污染的主要来源之一。带有浓烟的汽车尾气主要是因为发动机内燃料燃烧不充分,导致有害气体和颗粒物排放到空气中而形成的。因此,寻找一种新型的点火器来代替传统的火花塞点火器,达到增燃减废的效果是各国研究学者正在探索的问题。本文设计了电火花连锁微波放电产生等离子体用于发动机点火助燃的装置,具有大面积点火、促进燃烧、稳定可控等优点,有望成为替代火花塞点火器减少汽车尾气排放量的新型点火器。本文针对电火花连锁微波放电等离子体装置及机理展开了系统的研究,在电火花放电和微波放电的研究基础上,综合两种放电模式的特性,对电火花连锁微波放电等离子体点火进行了可行性分析,并设计了研究方案。所做的主要工作是:首先,设计了电火花连锁微波放电等离子体装置,介绍其组成结构和工作原理,提出了电火花连锁微波放电等离子体机理研究的实验方案;其次,利用Ansoft HFSS软件对微波在发动机燃烧室的谐振参数和电磁场分布情况进行了建模仿真,仿真结果表明:谐振腔体的谐振频率和品质因数与实际计算数值在一定的误差范围内,收敛明显,可用于实际应用,为以后的实验提供了理论依据;最后,搭建了电火花连锁微波放电等离子体的实验平台,使用圆柱形微波谐振腔代替发动机燃烧室,通过安装的温度、压力传感器,采集不同初始压力、不同微波入射功率下谐振腔体内压力变化的实验数据,绘制出了相应的曲线图,同时使用高速摄像机拍摄出谐振腔内点火助燃时的图像。通过对实验结果的对比分析,证明了电火花连锁微波放电等离子体点火比火花塞点火具有更大的点火面积、更快的点火速度、以及提高燃烧效率的优点,验证了电火花连锁微波放电等离子体点火助燃的可行性。

关键词：发动机火花放电微波放电等离子体点火助燃谐振腔