《雷射選擇性激活氧分子助燃點火機理的研究》是依託哈爾濱工業大學，由於欣擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：雷射選擇性激活氧分子助燃點火機理的研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：于欣
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為實現高超聲速發動機可靠點火和穩定燃燒,本項目結合亞穩態氧分子在化學反應中具有能量載體的作用和雷射具備高效而選擇性地激勵物質的特性，探索使用雷射選擇性激活氧分子提高CH4/O2( O2*)混合氣體燃燒速率、降低著火溫度和縮短點火誘導時間的新方法。基於GRI-Mech3.0模型，通過引入雷射激活氧分子動力學過程和含有激發態氧分子的基元反應，建立含有雷射激活氧分子動力學過程的CH4/O2(O2*)混合氣體燃燒動力學模型；套用光譜法研究在不同溫度和氣壓條件下，激發態氧分子物理消激發過程與化學反應過程的競爭規律，探索高效的雷射選擇性激活氧分子助燃新方法；套用四波混頻光譜（DFWM）和相干反斯托克斯喇曼光譜(CARS)方法對燃燒反應場參數進行非接觸、實時測量，為反應機理分析與動力學模型的驗證提供實驗依據。該新方法的機理不同於現有雷射點火技術的機理，探索了一種雷射控制燃燒過程的新思路。
結題摘要
雷射激活氧分子助燃方法，是一種非侵入式助燃方法，是當下全球十分關注的熱門課題，對提高工業燃燒爐、內燃機、燃氣輪機、衝壓發動機等燃燒器和發動機的燃燒效率和降低污染氣體的排放具有重要意義。本課題結合激發態氧分子具有催化燃燒氧化反應的作用和雷射具備高效激勵物質的特性，通過採用雷射直接共振激發或雷射電漿激發氧分子促進燃燒氧化進程，提高燃燒速度和燃燒效率，實現了雷射激活氧分子助燃新方法。首先，利用化學動力學分析軟體CHEMKIN，在GRI—Mech3.0模型基礎上，通過引入化學動力學助燃新思想，建立了雷射激活氧分子助燃CH4/O2混合氣體化學動力學模型。由此模型計算發現，亞穩態氧分子具有顯著的助燃作用，當雷射將4%的O2激發為O2(b1Σg+)時，著火誘導時間僅為無雷射激發時的1/8；在當量比0.5到1.7範圍內，火焰傳播速度（燃燒速度）最多提高了21.5%，火焰中OH濃度提高了7.7%。其次，改進了美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出的測量活性粒子平均壽命的化學反應法，提高了測量精度，測得了無輻射亞穩態氧分子的平均壽命，對雷射激活氧分子助燃機理的研究具有重要意義。結合光譜法研究發現，亞穩態氧分子（O2(b1Σg+)和O2(a1Δg)）壽命很長，可直接參與化學反應，對燃燒有顯著的促進作用。O2(B3Σu-)和O2(A3Σu+)壽命較短，可通過與其它分子發生碰撞反應，產生O2(b1Σg+)、O2(a1Δg)、基態和激發態O原子，間接達到促進燃燒的作用。再次，設計並研製了雷射激活氧分子助燃及激發態氧分子特性研究實驗平台，研製了用於助燃和光譜診斷研究的固體雷射器、燃燒診斷系統和雷射光譜測量系統，為雷射助燃方法研究提供了實驗手段。最後，在實驗上首次套用761nm雷射共振激活氧分子和飛秒雷射電漿激活氧分子實現了雷射助燃方法，使得CH4/O2/N2預混層流火焰傳播速度分別提高了8.8%和25.7%。總之，本課題是按照項目計畫執行的，完成了計畫書中所規定的研究工作，並增加了部分研究工作，為深入揭示雷射激活氧分子助燃機理和下一步套用研究奠定了紮實的基礎。
