应用非均衡态等离子体在低压低温环境下的点火及火焰稳定的机理探索和实验研究

When aero-engine stops in air, it is highly possible to make the aircraft crash. The current research is focusing on using non-equilibrium plasma assisted combustion technique to reignite the engine in high altitude, low pressure, low temperature condition. Plasma assisted combustion is the cutting edge technology in the combustion research community in the world which can achieve large area ignition and flame holding in extreme conditions. In this research, high voltage, nanosecond pulsed plasma will be used combining with microwave plasma which will generate large amount of radicals and increase the temperature in the fuel air mixture. Then ignition can be achieved in high altitude, high speed air flow condition. In the experiment, variety of discharge parameters will be used and OH, CH, CH2O, OH* and CH* concentration distributions as well as the development of flame ignition and propagation process will be determined using advanced laser/optical diagnostics. The chemical kinetic simulation of the nanosecond pulsed plasma and microwave plasma assisted combustion will indicate the chemical reaction mechanisms. The experimental and simulation results will contribute to the entire global plasma assisted combustion community, as well as providing knowledge and experimental data to the development of the high altitude re-ignition system of the advanced jet engine of China.

航空发动机空中停车后极可能导致飞机失速坠毁，本研究将探索应用非均衡态等离子体强化燃烧技术实现发动机高空低温低压点火和火焰稳定的机理。等离子体强化燃烧技术是世界燃烧领域研究的最前沿，可以实现大面积，大区域的点火，及在极端环境下稳定燃烧。本研究将采用高压纳秒脉冲发生器和微波发生器联合激发非均衡态等离子体，在油气混合物中生成化学性质极活泼的自由基，同时迅速提升油气混合物温度，实现高空低压低温，高流速状态下的大面积点火。通过实验研究，应用先进激光/光学测量技术，进行在不同放电参数下，探测火焰OH，CH，CH2O自由基和OH*，CH*的浓度分布和火核传播与演化过程；通过等离子体耦合燃烧的化学反应动力学模拟，揭示该条件下的纳秒脉冲等离子体/微波等离子体联合点火及火焰稳定的化学动力学机理，丰富国际等离子体强化燃烧学界的学术研究成果，并为我国先进航空发动机高空点火系统的研发提供基础理论及实验数据支持。

等离子体是由带电的正离子、负离子、自由基和各种活性基团组成的集合体，属物质的第四态。等离子体中存在的带电粒子，与电场和磁场相互耦合。等离子体点火助燃的基本原理是等离子体的热效应、化学效应和输运效应，共同作用下开启燃料和氧化剂的燃烧链式反应。本研究开展了应用非均衡态等离子体强化燃烧技术实现发动机高空点火和火焰稳定的机理研究。等离子体强化燃烧技术是可以实现大面积，大区域的点火及在极端环境下稳定燃烧。本研究应用先进激光/光学测量和分子动力学模拟技术，进行在不同放电参数下，探测火焰OH，CH，CH2O自由基和OH*，CH*的浓度分布和火核传播与演化过程；通过等离子体耦合燃烧的化学反应动力学模拟，揭示该条件下的纳秒脉冲等离子体/微波等离子体联合点火及火焰稳定的化学动力学机理。完成了非平衡态纳秒脉冲等离子体高空点火化学反应动力学模拟、应用等离子体在高空0.6马赫气流速度下凹腔点火非稳态多工况模拟、球形扩散火焰燃烧不稳定性计算以及高能非平衡态脉冲等离子体对热声振荡抑制的机理研究。形成了C4燃料的等离子体点火助燃燃烧机理数据库、发现了等离子体激发位置及等离子体能量对于点火效果的影响及原因和等离子体激发频率和脉冲能量对热声振荡抑制机理，以及Lewis数对于火焰稳定性的影响。本项目支持了4位硕士研究生开展实验及计算研究，其中1位继续攻读博士，3位完成了硕士论文并获得了硕士学位，发表了2篇SCI论文参加国内外会议6人次，并进行了大会论文宣讲。