非熱平衡態電漿增強甲烷稀燃特性及作用機理研究

《非熱平衡態電漿增強甲烷稀燃特性及作用機理研究》是依託西安交通大學，由穆海寶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非熱平衡態電漿增強甲烷稀燃特性及作用機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：穆海寶
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

近年來非熱平衡態電漿助燃技術在提高燃燒效率和拓展燃燒極限方面表現出良好的套用前景，但是非熱平衡態電漿助燃的內在機制和主導因素仍然不明確。本課題採用光譜診斷、流場測量、燃燒產物分析等手段，對介質阻擋放電電漿作用下甲烷氣體的稀燃特性開展系統研究。分別研究甲烷、合成空氣以及甲烷/空氣預混氣體中的電漿放電特性，獲得放電條件、氣流速度等因素對放電特性的影響規律；研究放電電漿和燃燒區域在空間分離和耦合狀態下燃燒特性的變化規律，深入分析溫度效應、動力增強效應的影響機制；研究放電電漿對層流預混火焰結構的影響，明確電漿放電對流場的作用及對燃燒的影響；在此基礎上通過建立電漿輔助燃燒動力學模型，仿真分析非熱平衡態離子體輔助燃燒的作用機理。本課題旨在明確非熱平衡態電漿助燃的內在機制，得到溫度、動力學、流場等因素在電漿助燃中的影響規律，為改善電漿助燃效果提供技術支撐

結題摘要

近年來非熱平衡態電漿助燃技術在提高燃燒效率和拓展燃燒極限方面表現出良好的套用前景，但是非熱平衡態電漿助燃的內在機制和主導因素仍然不明確。本課題旨在明確非熱平衡態電漿助燃的內在機制，得到溫度、動力學、流場等因素在電漿助燃中的影響規律，為改善電漿助燃效果提供技術支撐。 為此，搭建了一套電漿輔助燃燒裝置及放電與燃燒特性診斷系統，對介質阻擋放電（DBD）產生的非熱平衡態電漿及其對甲烷助燃的特性開展了系統研究。首先，通過光電聯合診斷的方式，研究了同軸中心型DBD電極結構下CH4/O2/He預混氣體的光電特性及燃燒特性。研究了外施電壓、當量比等因素的影響，分析了DBD電漿區域活性粒子主要的反應路徑，並基於光譜結果診斷獲得了電漿關鍵參數，研究了電漿對CH4/O2/He預混燃燒傳播速度、火焰溫度等特性的影響。然後，在同軸中心型DBD助燃裝置的基礎上，加入多孔陶瓷作為阻擋介質，開展光電特性及助燃特性的研究。獲得了各流量下不同O2比例的稀燃極限，電漿作用後，脫火的當量比可降低0.1~0.2，且作用一段時間後將電壓調至零，火焰仍能維持穩定燃燒。再者，建立了基於大氣壓DBD電漿作用下的甲烷氧化零維仿真模型，獲得了CH4/O2/He混合氣體電化學反應的粒子濃度變化、化學反應路徑及電漿作用下的反應機理。最後，結合實驗與仿真的研究，從溫升、化學動力學、流場等方面探討了電漿和電場的輔助燃燒機理。首先，電漿的溫升效應對燃燒反應有一定的增強效果；然後，光譜分析與仿真結果共同顯示了高能電子碰撞促成大量的O和OH自由基產生以及He、O2間發生的彭寧反應在助燃過程中對提升燃燒中鏈式反應速率有重要作用；最後，當電場作用於火焰時，產生離子風擾動流場，促進燃料與助燃劑的混合，增強燃燒效果。 本項目利用同軸中心型DBD助燃裝置可產生大面積、均勻穩定的低溫電漿，展示其對預混火焰燃燒有明顯的增強效果。同時，通過實驗和仿真研究加深了對電漿助燃機理的認識。