纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体辅助甲烷-空气预混燃烧的机理研究

Plasma assisted combustion is an emerging science and technology to improve ignition capability and combustion efficiency by using kinetic, temperature rise and transport enhancement effects of plasma. Nanosecond pulsed dielectric barrier discharge is an ideal way to generate large area uniform and high chemical active non-equilibrium plasma. In this project, nanosecond pulsed dielectric barrier discharge is used as plasma source to assist combustion, numerical models of nanosecond pulsed dielectric barrier discharge plasma and its assisted combustion for typical methane-air mixture of premixed combustion are built, laboratory diagnostic is carried out to proof validity of numerical simulation, fuel reforming and low temperature oxidation in nanosecond pulsed dielectric barrier discharge plasma are explored, plasma enhancement effects in plasma assisted combustion are resolved, influence effects and action mechanisms of changing different kinds of parameters and conditions are ascertained, and mechanisms and characteristics of nanosecond pulsed dielectric barrier discharge plasma and its assisted combustion in methane-air mixture are explained. This project is of theoretical value and practical significance to understanding mechanisms of plasma assisted combustion formed by the coupling of multi-physics fields, plasma kinetics and combustion kinetics, realizing reasonable adjustment and optimization design for nanosecond pulsed dielectric barrier discharge plasma assisted combustion, and improving stability, ignition speed and energy conversion efficiency of methane-air premixed combustion combined with reducing the emission of pollutants.

等离子体辅助燃烧是利用等离子体的动力学、温升和输运增强效应，提高点火能力和燃烧效率的新兴科技。纳秒脉冲介质阻挡放电是产生大面积均匀和高化学活性的非平衡等离子体的理想途径。本项目以纳秒脉冲介质阻挡放电作为辅助燃烧的等离子体源，对预混燃烧中典型的甲烷-空气混合气体，建立纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体及其辅助燃烧的数值模型，开展实验诊断校验数值模拟的正确性，探讨纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体中的燃料重整与低温氧化，解析等离子体辅助燃烧中的等离子体增强效应，明确各种参数和条件变化的影响效果与作用机制，阐释甲烷-空气纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体及其辅助燃烧的机理与特性。本项目对理解由多物理场、等离子体动力学和燃烧动力学耦合形成的等离子体辅助燃烧机理，实现对纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体辅助燃烧的合理调控与优化设计，提高甲烷-空气预混燃烧的稳定性、点火速度和能量转化效率并减少污染物排放有理论价值与实践意义。

等离子体辅助燃烧是利用等离子体的动力学、温升和输运增强效应，提高点火能力和燃烧效率的新兴科学技术。纳秒脉冲介质阻挡放电是产生大面积均匀和高化学活性的非平衡等离子体的理想途径。本项目以纳秒脉冲介质阻挡放电作为辅助燃烧的放电等离子体源，对预混燃烧中典型的甲烷-空气混合气体等气体，建立纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体及其辅助燃烧的零维、一维和二维数值模型，对比实验诊断数据校验数值模拟的正确性，实现对甲烷、甲烷-二氧化碳和甲烷-空气纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体及其辅助燃烧的自洽、准确和快速模拟，探讨等离子体辅助燃烧中的等离子体增强效应，明确各种参数和条件变化的影响效果与作用机制，阐释纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体及其辅助燃烧的机理与特性。本项目的主要研究结果包括：（1）相比于纳秒脉冲放电，纳秒脉冲和直流协同放电中的电子能量被沉积在不同的分子自由度，能够更好地选择性激发振动激发态粒子和电子激发态粒子，形成更明显的动力学增强效应和温升增强效应；（2）甲烷-空气纳秒脉冲放电等离子体产生的活性粒子通过动力学增强效应加速链式反应并使火焰向上移动，随着外施电压振幅的增加，电场强度提高，电子碰撞电离、分解和激发增强，放电电流密度的峰值增大且峰值出现时间提前，最高燃烧温度降低；（3）O原子是甲烷-空气等离子体中密度最高的活性粒子，在甲烷-空气纳秒脉冲等离子体辅助燃烧中，14.2%的甲烷与CH反应生成C2H4，是在等离子体作用下生成C2H4的新的重要路径，在等离子体作用下H原子等活性粒子密度显著下降，改变甲烷-空气燃烧的反应路径，形成明显的等离子体辅助燃烧效果。本项目进行的研究对理解由多物理场、等离子体动力学和燃烧动力学耦合形成的等离子体辅助燃烧机理，解析等离子体辅助甲烷-空气预混燃烧的关键粒子和反应路径、获得理想的等离子体辅助甲烷-空气点火燃烧效果并降低燃烧温度与污染物排放等问题提供依据。