亚大气压纳秒脉冲DBD等离子体特性及拓展甲烷可燃极限研究

The filaments of Dielectric Barrier Discharge (DBD) under sub-atmospheric pressure can induce the thermal breakdown. Overcoming this non-uniform discharge is the most difficult part. In nanosecond DBD, the gas temperature is low while the electron temperature is high, which can provide plasma that is rich in long-life active species. The plasma driven by nanosecond pulse voltage is of higher non equilibrium properties, which can effectively improve the chemical reaction rate, reduce the gas flow disturbance, and stabilize the flame configuration. These advantages are preliminary verified in our previous researches. In this project, based on the optimization of the plasma generator, the characteristics of nanosecond pulse DBD plasma is deeply studied. Using the schlieren system, ICCD image, spectrum diagnosis and electrical analysis, we study the influence of the controllable parameters on the component and uniformity of DBD plasma. Through the observation of the discharge microstructure and the measurement of the surface trap parameter, the physical process of nanosecond pulse DBD will be further revealed. The physical and chemical mechanism of plasma assisted combustion will be studied, which includes the control of the combustion process, the combustibility limit of methane and the analysis of the kinetic model about low-temperature plasma assisted combustion. The expected results of this project are the realizing sub atmospheric pressure homogeneous discharge, extending the combustion limit of methane, and providing scientific and technical knowledge for the application of the plasma assisted combustion.

亚大气压介质阻挡放电(DBD)呈现细丝状而致使热击穿发生，克服这种放电不均匀特性是难点所在。纳秒脉冲DBD的气体温度低而电子温度较高，可得到富含长寿命活性基团的等离子体氛围；纳秒脉冲激励产生的等离子体具有更高非平衡性，能有效提高化学反应速率、减小气流扰动、稳定火焰形态，此优势特征在我们前期研究中已得到初步证实。本研究在优化等离子体发生器的基础上，深入研究纳秒脉冲DBD等离子体放电特性，利用纹影测量、ICCD影像、光谱诊断及电学分析，探究可控输入参数对DBD等离子体组份和均匀性的影响规律。通过观测放电微观形貌、测量表面陷阱参数，进一步揭示纳秒脉冲DBD的物理过程。研究等离子体辅助燃烧的物化机制，控制燃烧过程，拓展甲烷的可燃极限，完善并解析低温等离子体辅助燃烧的动力学模型。因此，本项目的预期研究结果可实现亚大气压均匀放电、拓展甲烷可燃极限，为等离子体辅助燃烧的工程应用提供科学依据与技术途径。

燃料从未燃到稳定燃烧存在两个过程：点火过程及点火后的火焰燃烧过程，对应等离子体与燃烧相互作用可分为：等离子体辅助点火(PAI)和辅助燃烧(PAC)。本项目着眼于PAC过程，利用中心共轴结构研究了kHz交流和纳秒脉冲激励DBD等离子体特性，结果表明改变kHz正弦交流电压大小可有效调控活性粒子浓度，利用纳秒脉冲激励结果表明改变脉冲电压幅值对等离子体组分和浓度几无影响，改变重复频率可有效调控OH*、CH*和C2*等粒子浓度。采用新型双环共轴电极克服了传统双环共轴DBD装置在含有较高浓度CH4时易在介质外表面双环电极间沿面闪络的局限，通过优化电极结构和激励源参数，获得了适用于等离子体辅助预混和扩散燃烧的等离子体发生器。取得的主要研究成果如下：(1)研制了与双环结构类似共轴型微波DBD等离子体发生装置，这种微波DBD等离子体可通过脉冲调制后微波间歇式注入谐振腔，可产生室温DBD等离子体。(2)研究了中心结构kHz交流和纳秒脉冲激励DBD等离子体对CH4/O2/He预混燃烧本生灯火焰燃烧特性影响机制，结果表明调控kHz交流电压幅值对火焰传播速度有明显作用，但这种趋势有饱和现象；采用纳秒脉冲激励，改变纳秒脉冲频率火焰传播速度可大幅度提高，改变脉冲电压幅值火焰传播速度基本无变化。相对而言纳秒脉冲激励时富氧和贫氧时均能更稳定燃烧，可拓展燃烧极限更宽，且贫氧时更为显著。(3)研究了双环结构kHz交流激励DBD等离子体对扩散燃烧火焰稳定性和温度等特性影响机制，结果表明当气流速度较高形成抬举火焰时，DBD等离子体介入可有效调控火焰抬举高度，稳定火焰形貌。当气流速度较低形成附着火焰时，DBD等离子体介入可提高火焰燃烧温度；放电后火焰顶部颜色有显著变化、亮黄色区域增多变厚，亮黄色部分与蓝色部分长度比值相对较大，表明燃烧更充分。(4)探索了微波DBD等离子体可极大拓展CH4燃料较稀薄时的燃烧极限，同时项目研究了DBD等离子体对材料改性和生物医学交叉方面的放电机制。迄今为止，已在国内外权威期刊上发表署名国家自然科学基金项目资助的研究论文12篇(SCI: 5篇、EI: 3篇、CSCD: 2篇)，授权国家发明专利2项，实审阶段发明专利5项(1项已授权办理登记中)；在专业学术会议上作专题报告或墙报共4次(2次优秀海报奖)；共培养硕士研究生1名、在读5名，4名团队人员晋升高一级职称。