激光选择性激活氧分子助燃点火机理的研究

为实现高超声速发动机可靠点火和稳定燃烧,本项目结合亚稳态氧分子在化学反应中具有能量载体的作用和激光具备高效而选择性地激励物质的特性，探索使用激光选择性激活氧分子提高CH4/O2( O2*)混合气体燃烧速率、降低着火温度和缩短点火诱导时间的新方法。基于GRI-Mech3.0模型，通过引入激光激活氧分子动力学过程和含有激发态氧分子的基元反应，建立含有激光激活氧分子动力学过程的CH4/O2(O2*)混合气体燃烧动力学模型；应用光谱法研究在不同温度和气压条件下，激发态氧分子物理消激发过程与化学反应过程的竞争规律，探索高效的激光选择性激活氧分子助燃新方法；应用四波混频光谱（DFWM）和相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)方法对燃烧反应场参数进行非接触、实时测量，为反应机理分析与动力学模型的验证提供实验依据。该新方法的机理不同于现有激光点火技术的机理，探索了一种激光控制燃烧过程的新思路。

激光激活氧分子助燃方法，是一种非侵入式助燃方法，是当下全球十分关注的热门课题，对提高工业燃烧炉、内燃机、燃气轮机、冲压发动机等燃烧器和发动机的燃烧效率和降低污染气体的排放具有重要意义。本课题结合激发态氧分子具有催化燃烧氧化反应的作用和激光具备高效激励物质的特性，通过采用激光直接共振激发或激光等离子体激发氧分子促进燃烧氧化进程，提高燃烧速度和燃烧效率，实现了激光激活氧分子助燃新方法。. 首先，利用化学动力学分析软件CHEMKIN，在GRI—Mech3.0模型基础上，通过引入化学动力学助燃新思想，建立了激光激活氧分子助燃CH4/O2混合气体化学动力学模型。由此模型计算发现，亚稳态氧分子具有显著的助燃作用，当激光将4%的O2激发为O2(b1Σg+)时，着火诱导时间仅为无激光激发时的1/8；在当量比0.5到1.7范围内，火焰传播速度（燃烧速度）最多提高了21.5%，火焰中OH浓度提高了7.7%。. 其次，改进了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的测量活性粒子平均寿命的化学反应法，提高了测量精度，测得了无辐射亚稳态氧分子的平均寿命，对激光激活氧分子助燃机理的研究具有重要意义。结合光谱法研究发现，亚稳态氧分子（O2(b1Σg+)和O2(a1Δg)）寿命很长，可直接参与化学反应，对燃烧有显著的促进作用。O2(B3Σu-)和O2(A3Σu+)寿命较短，可通过与其它分子发生碰撞反应，产生O2(b1Σg+)、O2(a1Δg)、基态和激发态O原子，间接达到促进燃烧的作用。. 再次，设计并研制了激光激活氧分子助燃及激发态氧分子特性研究实验平台，研制了用于助燃和光谱诊断研究的固体激光器、燃烧诊断系统和激光光谱测量系统，为激光助燃方法研究提供了实验手段。. 最后，在实验上首次应用761nm激光共振激活氧分子和飞秒激光等离子体激活氧分子实现了激光助燃方法，使得CH4/O2/N2预混层流火焰传播速度分别提高了8.8%和25.7%。. 总之，本课题是按照项目计划执行的，完成了计划书中所规定的研究工作，并增加了部分研究工作，为深入揭示激光激活氧分子助燃机理和下一步应用研究奠定了扎实的基础。.