低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究*

周思引，田 园，聂万胜，郑体凯，石天一

低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰影响的实验研究*

周思引1†，田 园1，聂万胜1，郑体凯2，石天一1

（1. 航天工程大学，北京 101416；2. 中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

为探究低温等离子体对甲烷/氧反扩散火焰的影响，通过对同轴式喷注器环缝甲烷射流施加介质阻挡放电产生甲烷等离子体，综合采用多种测量手段实验研究了多种工况下该低温等离子体特性及火焰关键参数的变化。结果显示，放电击穿电压随混合比增大而减小，电流脉冲数量和幅值则随混合比增大而先增加后减小；甲烷等离子体呈灰白色，低电压下提高气体流量则放电有所减弱；受等离子体气动效应作用，放电后甲烷射流角有所增大，且电压越高射流角越大，增幅则逐渐减小，过高激励强度下射流发生失稳；等离子体通过改变燃料和氧化剂的掺混而影响甲烷/氧反扩散火焰的形态，使得火焰中心高度总体有所下降，特征长度缩短，释热强度则有所增加，其中小流量、低混合比条件下作用效果更明显；喷注器功率则随混合比上升而先增大后减小。

等离子体辅助燃烧；低温等离子体；甲烷/氧反扩散火焰；气动效应；火焰形态；释热强度

0 前 言

扩散火焰通常可分为正扩散火焰和反扩散火焰[1]，因其具有较好的安全性、操作便捷且工作范围宽等优点而存在于多种动力装置中[2-42-4]。同轴式喷注器结构紧凑、便于调节燃料和氧化剂配比，常被用于一些发动机中以形成扩散火焰，但是由于氧化剂和燃料先分开而后才在喷注器出口附近进行掺混，使得射流的着火、火焰的稳定性以及火焰位置极易因射流状态等因素的变化而发生显著改变，尤其当喷注器运行在变工况条件下时，严重影响了同轴式喷注器的工作效率、可靠性、稳定性等[5-75-7]。因此，如何有效控制同轴式喷注器射流以形成所需的扩散火焰对于各类发动机而言十分重要。

随着低温等离子体应用技术的发展，其在控制流动和燃烧方面性能优异，通过高压放电产生适当类型的低温等离子体能够达到扩宽着火极限、提高燃烧效率、稳定火焰等目的[8-138-13]。低温等离子体辅助燃烧领域的一个重要研究方向是对射流火焰的控制。由于低气压放电相对容易，SUN等[14]建立了一个低气压部分预混甲烷火焰实验系统，开展了低温非平衡等离子体对甲烷火焰熄灭特性的研究，该火焰由上下一对喷嘴呈对冲形式产生，为便于和仿真研究相结合，电极分别平行布置于燃料喷嘴内部，研究结果显示等离子体能扩大熄火极限，且脉冲频率越高效果越显著。文献[15]同样针对对冲扩散火焰进行了研究，发现介质阻挡放电等离子体作用下着火温度可降低约100 ~ 200 K。NAGARAJA等[16]则在McKenna燃烧炉上布置网状平板电极，对0.033 atm气压下纳秒脉冲放电等离子体对贫燃氢−氧预混火焰的作用进行了研究，实验装置的设计使得火焰和放电等离子体耦合在一起，开启激励器测量结果显示诸如CH、OH、C2等重要活性组分浓度都增大了。HUTCHINS等[17]则以燃料喷嘴为中心电极，在丙烷抬升火焰外围布置环形电极，对火焰施加直流激励放电，考察了不同放电位置对火焰形态的影响。GALLEY等[18]将中心钝头体作为地电极，在火焰上方布置高压电极，结果显示纳秒脉冲放电起到了强化丙烷−空气预混火焰的效果。针对氢气扩散火焰，RETTER等[19]设计了一种“T”形布局的交流激励介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）激励器用于火焰控制，成功将该锥形火焰转变为一平板形火焰。文献[20-24]则针对射流火焰设计了各种同轴式放电装置，激励源包括高频交流、纳秒脉冲、微秒脉冲及射频，实验均发现低温等离子体能提高火焰的稳定性和传播速度，光谱分析则显示放电产生了众多活性基团。还有一类针对旋流火焰的研究[25-26]同样发现低温等离子体可增强火焰的稳定性，并降低NO等污染物的排放。

综合国内外等离子体控制火焰研究，绝大多数研究针对低气压，火焰为部分预混或者预混火焰，主要采用纳秒脉冲电源，并且涉及的扩散火焰研究中氧化剂是空气。而对于非吸气式动力装置，例如空间发动机，其氧化剂一般是纯氧。并且，当前相关研究中缺乏对火焰形态和释热的详细诊断，对等离子体影响火焰的内在机理研究不够深入。甲烷作为一种清洁燃料，价格低、易于储存，是未来空天动力装置的首选。鉴于此，本文综合利用多种测量手段实验研究了甲烷放电低温等离子体对甲烷−氧反扩散火焰的作用效果，获得并分析了等离子体电学参数、等离子体气动效应以及火焰特征参数变化规律，以掌握等离子体对该类火焰的影响规律和作用机理。其中正扩散火焰定义为甲烷在中间而氧射流包围着甲烷，反扩散火焰则是燃料和氧化剂的相对喷射位置与正扩散火焰相反。

1 实验系统

以等离子体喷注器为核心的等离子体控制甲烷−氧反扩散火焰实验系统见图1，其包括了四个分系统：燃料氧化剂供应系统、放电等离子体喷注器、燃烧测量与控制系统、放电控制及测量系统。燃料和氧化剂供应系统中气源的纯度均为99.99%，两者通过LZB转子流量计控制流量，标定后的氧气和甲烷流量计控制精度可达2.5‰。采用自主开发的测控计算机来控制管路中电磁阀的运作时序，并对火焰参数测量数据进行采集。

图1 介质阻挡放电等离子体控制甲烷−氧反扩散火焰实验系统

一般用于辅助燃烧的等离子体放电生成方式有微波放电、电弧放电、滑动弧放电、介质阻挡放电、纳秒脉冲放电等[9-10]，其中介质阻挡放电具有众多优点，如放电过程易于控制、适合长时间工作、能在较大空间产生相对均匀的等离子体以及宽工作气压等[10,27]。因此，本文基于DBD构型设计了一种同轴直流式低温等离子体喷注器。该等离子体喷注器由外层集气腔、中间层绝缘介质套管和中心金属喷嘴组成，其中绝缘套管为可耐1 973 K高温的氧化铝陶瓷，中心喷嘴和集气腔则为不锈钢材料，整个等离子体喷注器装配后实物见图2。中心喷嘴内径为5 mm、外径为7 mm，作为地电极；绝缘套管出口段外径为15 mm、内径为9 mm；高压电极贴附在绝缘套管近出口段外表面，沿套管轴向长度为50 mm，采用铜箔材料；装配方式上，中心喷嘴出口端面与铜箔电极出口端面平齐，且较绝缘套管内缩5 mm以增强燃料和氧化剂混合[28]，同时有利于抑制爬电。燃料甲烷在充填集气腔后经喷注器环缝喷出，其中绝缘套管壁面上对称开有4个直径为2.83 mm的圆孔；氧气直接从中心喷嘴喷出。甲烷在环缝出口段高压电极覆盖区域会发生介质阻挡体放电而形成低温等离子体射流，随后在预混区甲烷等离子射流和氧气进行混合，形成点火所需混气环境，着火后形成的火焰类型属于反扩散火焰。

图2 等离子体喷注器装配体

等离子体电源采用HVAC1-30AS高频高压交流电源，设备还包括调压器和工控机。电源输出电压为正弦波形，电压幅值为0 ~ 30 kV，载波频率为1 ~ 50 kHz，可连续或爆发模式长期运行，实验中设置载波频率为10 kHz[29]。

等离子体喷注器放电电压和电流分别由Tektronix P6015A高压探头和Person Model 6595电流线圈进行测量，并通过Tektronix 2024B示波器（带宽和采样频率分别为1 GS/s和200 MHz）记录。

为捕获喷注器出口射流形态，构建了反射式“Z”纹影测量系统，所用相机为Canon 600D单反数码相机。对放电图像和火焰参数的测量也采用该相机，镜头为Canon EF50 mm f/1.8 STM定焦镜头，为减弱振动对成像质量的影响，所有拍摄均利用快门线远程操作相机快门的释放，每个工况以连拍模式拍摄5幅图像。为获取火焰释热强度分布并定量诊断火焰特征参数，根据文献[29]方法选取碳氢燃料重要中间反应产物CH基的激发态作为分析对象，由于CH激发态存在于多个谱段，本文考虑无重叠、强度高等因素选择波长范围在415 ~ 440 nm的CH*基进行火焰自发辐射图像研究。有关本实验的更多操作细节和误差分析请参见文献[29]和文献[30]。

2 结果与讨论

2.1 放电电学特性及其形态

图3 火焰状态下甲烷放电电流、电压波形，= 1.0 L/min，Ud = 6.0 kV

图4 甲烷放电图像

2.2 等离子体气动效应

图5 甲烷放电时喷嘴出口流场纹影图像

图6 不同电压幅值对应的射流角大小

比较相同激励电压下气流速度对射流角的影响，发现总体上大流量对应大射流角，这可归因于等离子体通道虚拟“风扇”作用，通过“风扇”的气流在“扇叶”切割作用下速度具有轴向、横向和切向三个方向，来流加速则三个分量都增大，因此促进了射流横向扩张。少数工况出现不一致变化现象应与放电非定常性有关。另外，在d= 14 kV下射流的穿透高度明显有所降低，这可能是过高激励强度下射流横向扩展加剧，发生失稳所致。鉴于等离子体喷注器应用目标是发动机中的火焰稳定与助燃，既要促进燃料和氧化剂混合，又要防止射流火焰过于贴近喷射面板引起部件烧蚀，因此在射流宽度和高度上需要权衡。据图5可知，本文条件下d=10 kV、12 kV时等离子体对射流的控制效果较好。

另外，与过去研究的空气射流受放电影响相比[29]，发现仅在8 kV时甲烷射流角为13.5°，略小于空气射流的14.0°，其余放电电压下甲烷射流角都明显大于空气，又因前文已指出甲烷流量越大，相同电压下其射流角越大，故推断甲烷等离子体气动效应强于空气。

2.3 火焰形态与释热

对于本实验，甲烷射流外部被环境空气所包围，其本身又环绕着氧气射流，因此完整的火焰结构为内外双层。由于外部空气处于静止状态，甲烷容易与之发生掺混，形成局部准预混的富燃火焰，中间氧气流速相对较快，与甲烷掺混较弱，多处于贫燃态。因本研究的火焰为反扩散型，氧化剂为纯氧，使得火焰本身很稳定，而火焰本身呈离子态，与喷嘴放电区域接触后容易发生爬电，而击穿电压约为6 kV，实验发现施加放电击穿后难以继续提高电压，故仅记录了未放电和6 kV电压下的数据。

2.3.1 可见光图像对比

图7 不同电压激励下甲烷−氧反扩散火焰图像

2.3.2 CH*自发辐射图像对比

图8 甲烷−氧反扩散火焰CH*自发辐射图像：（a ~ d）= 0.5 L/min；（e ~ h）= 1.0 L/min

2.3.3 火焰特征参数研究

图9 不同工况下甲烷−氧反扩散火焰特征参数随电压变化

2.4 喷注器功率

3 结 论

基于自主设计的等离子体喷注器，对低温等离子体影响甲烷−氧反扩散火焰进行了实验研究，主要考察了喷注器电学特性、放电等离子体图像、等离子体气动效应以及火焰形态和释热等，并计算了放电功率，结论如下：

等离子体喷注器甲烷放电具有典型丝状放电特征，燃烧状态下增大混合比，甲烷击穿电压下降，放电电流则先增后减；甲烷等离子体呈灰白色，电压上升则放电发光增强，而较低电压下气流速度上升则放电减弱；施加放电后受甲烷等离子体气动效应作用，甲烷射流角有所扩大，且电压越高射流角扩张越显著，增幅则逐渐减小；等离子体诱导射流的轴向速度分量促进了射流垂直方向的穿透能力，过高激励强度下射流会严重失稳、横向扩散剧烈，导致射流垂直方向穿透能力反而减弱；放电增强了甲烷向中间氧气射流以及上方空间的运动，促进了两者混合，使得多数工况下火焰高度和长度略有下降，火焰释热强度整体上升；受燃烧影响，增大混合比喷注器功率先升后降。在本文实验条件下，当以强化燃烧、稳定火焰为目标时等离子体激励器工作在小流量、低混合比条件下作用效果更佳。

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Experimental Study on the Effect of Low-Temperature Plasma on CH4/O2Inverse Diffusion Flame

ZHOU Si-yin1, TIAN Yuan1, NIE Wan-sheng1, ZHENG Ti-kai2, SHI Tian-yi1

(1. Space Engineering University, Beijing 101416; 2. Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, Gansu, China)

Based on the in-house plasma injector, the effect of dielectric barrier discharge plasma on a CH4/O2inverse diffusion flame was studied. The voltage-current characteristics, photographs, gas dynamic effect of methane plasma, flame shape, heat release, and discharge power were investigated in detail through various measurements. Results showed that the breakdown voltage decreased with the increase of the mixing ratio, while the number of current pulses its amplitude increased first and then decreased. The methane plasma emitted a gray white light and the emission intensity weakened with the flow rate rises. Due to the plasma gas dynamic effect, the CH4jet angle expanded notably after discharge. The higher the voltage is, the larger the jet angle is, while the amplitude is decline, and the instability of the jet may occur under the high actuation intensity. The mixing process was altered by the discharge plasma, the inverse diffusive flame showed a different shape compared with its original pattern. Generally, the flame center height and its characteristic length decreased, while the heat release intensity increased. The effect of the plasma on the flame was more obvious under a small flow rate or a low mixing ratio condition. The power of the injector increased and then decreased with the mixing ratio rises.

plasma assisted combustion; low-temperature plasma; CH4/O2inverse diffusion flame; gas dynamic effect; flame shape; heat release intensity

TK16；TF055；O539

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.002

2095-560X（2020）02-0091-09

2020-01-19

2020-02-14

国家自然科学基金项目（51876219，51777214）

周思引，E-mail：siyin_zhou@126.com

周思引（1988-），男，博士，讲师，主要从事等离子体辅助燃烧与流动控制研究。

聂万胜（1969-），男，博士，教授，主要从事航天动力装置中的燃烧研究。