滑动弧等离子体强化甲烷/空气扩散火焰燃烧研究

狄 辉， 车学科， 钟 战， 吴祥东， 朱少鹏

（航天工程大学宇航科学与技术系， 北京 101416）

0 引言

等离子体是物质除了气体、液体、固体之外的第四态[1]，它在地球上比较少见，但在星系内，物质质量99%以上是以等离子体存在。 等离子体按照其内部粒子的自由度能量可以分为完全热平衡等离子体[2]、局部热平衡等离子体[3]和非平衡等离子体[4]。 非热平衡等离子体如介质阻挡放电[5]，在航空航天领域有重要用途，如流动控制[6-7]、点火助燃[8-9]和电推进[10-11]。滑动弧等离子体是一种局部热平衡等离子体[12]，既有热平衡等离子的特点，又有非热平衡等离子体特点，它在滑动放电过程中会释放大量热量，并产生高温电子，这些高温电子会促进活性粒子的形成，进而加快燃烧反应的进行。 滑动弧等离子体这一特点使其在强化燃烧领域有较大的应用价值， 将滑动弧等离子体应用在航天器姿轨控发动机的点火助燃中， 可使航天器拥有更长的在轨时间，更强的变轨能力。

当前，国内外对滑动弧等离子体均有较多研究，主要集中在滑动弧等离子体放电方面， 而在点火助燃方面研究相对较少。 在国内，空军工程大学何立明等[13]进行了平面滑动弧等离子体的放电实验， 发现平面滑动弧等离子存在两种放电模式，即稳定电弧滑动与击穿伴随滑动，这两种滑动模式在电信号和滑动形态上显著不同， 受到电极结构、工质气体流量和激励电压的影响；在国外，保加利亚St Kolev 等[14]研究了平面滑动弧等离子体在氮气中放电过程， 针对2.8mA 和28mA 两种电流的滑动弧建立了能量传递模型， 发现较小电流的滑动弧体积比较大电流的滑动弧体积大，大电流下的滑动弧具有“放电收缩”现象；综上所述，国内外研究人员对滑动弧等离子体研究主要集中在机理方面，应用研究较少，将滑动弧等离子体应用在小推力火箭发动机的点火助燃方面更是罕有报道，因此对滑动弧等离子体强化燃烧进行实验研究，进而应用在小推力火箭发动机上具有较大价值。

本文针对小推力火箭发动机同轴剪切喷注器构型设计了滑动弧等离子体强化燃烧实验平台， 在定常和非定常两种放电模式下分析空气流量、 电源占空比对滑动弧强化扩散火焰燃烧影响， 为下步设计实用型滑动弧等离子体点火器提供依据。

1 实验装置

图1 所示为滑动弧等离子体强化燃烧实验系统，主要包括高压甲烷气瓶、高压空气气瓶、数字示波器、高频交流电源、调压器、数码相机、光谱仪、滑动弧等离子体激励器和计算机。示波器采用安捷伦DSOX3054A示波器； 交流电源采用苏曼科技生产的CTP-2000K高频交流电源， 电压峰-峰值为0～30kV， 电源频率为5～25kHz，具有两种输出模式：定常（连续放电）模式和非定常（脉冲放电）模式； 高压甲烷气瓶内装高纯甲烷，高压空气气瓶内装高纯空气， 可为滑动弧等离子体激励器提供高纯甲烷和高纯空气； 光谱仪采用爱万提斯AvaSpec-ULS2048CL 四通道光谱仪， 可对甲烷/空气扩散火焰进行光谱诊断； 数码相机采用佳能ESO600 数码相机，可对正扩散火焰形态进行拍摄。

图1 滑动弧等离子体强化燃烧实验系统

图2 所示为滑动弧等离子体点火器结构图， 该点火器主要包括电极阳极、电极阴极、一个甲烷进气孔、两个高纯空气进气孔和绝缘陶瓷组成。 高纯空气从两个空气进气孔进入后在激励器内部形成环缝气体向上流出， 高纯甲烷从甲烷进气孔进入后在电极处形成甲烷射流，甲烷喷孔直径2mm，空气环缝喷孔直径6mm，甲烷与空气之间的绝缘陶瓷最大直径为4mm。 激励器阴极、阳极下端最窄处距离为2mm，当向滑动弧等离子体激励器通入高纯甲烷和高纯空气后，通过交流高频电源向电极供电，电极间隙最窄处将会产生电弧，电弧在甲烷/空气射流的吹动下向上滑动，形成滑动弧，同时滑动弧也会点燃射流气体，使甲烷燃烧，形成甲烷/空气正扩散火焰，并对火焰产生助燃作用。

图2 滑动弧等离子体点火器结构图

2 实验结果分析

2.1 扩散火焰燃烧特点

保持甲烷流量为3L/min， 高纯空气流量分别为0L/min、1L/min、2L/min、3L/min 和4L/min，点燃甲烷与空气射流，形成的甲烷/空气正扩散火焰如图3 所示，可以看出，随着空气流量的增加，甲烷正扩散火焰长度逐渐减小，当空气流量增加到3L/min 时， 甲烷扩散火焰底部会抬升，并且开始趋于熄灭， 实验时当空气流量增加到5L/min时，火焰熄灭。

图3 不同空气流量下扩散火焰燃烧图像

2.2 定常模式下空气流量对滑动弧强化燃烧影响

保持甲烷流量为3L/min，调节空气高压气瓶，使空气流量分别为5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，调节交流高频电源电压调压器和频率调节旋钮， 使电源电压峰峰值为9KV，频率为5KHz，并保持电压、频率不变，此时使激励器阴极阳极之间会产生滑动弧， 滑动弧会点燃甲烷/空气射流气体。 甲烷燃烧正扩散火焰如图4 所示；甲烷燃烧会生成CH 基（431nm）[15]，使用光谱仪对每种工况下甲烷/空气正扩散火焰进行光谱诊断，在光谱仪测量的光谱数据中找到波长在431nm 处CH 基相对发射强度，可用来反应甲烷燃烧，结果如图6 所示。

图6 非定常模式不同占空比下CH 基相对发射强度

通过图4、图5 可以看出，保持甲烷流量不变，空气流量从5L/min 增加到9L/min， 甲烷正扩散火焰高度从33.5cm 降低到24.4cm，CH 基 （431nm） 相对发射强度从1113a.u.unit 增加1388a.u.unit。这说明滑动弧等离子体击穿空气会生成CH 基 （431nm）， 点燃无法稳定燃烧的甲烷/空气射流，并使之稳定燃烧，增大空气流量会降低甲烷/空气扩散火焰高度，但同时也可以促进CH 基（431nm）生成。

图4 定常模式不同流量下扩散火焰燃烧图像

图5 不同流量下CH 基相对发射强度

2.3 非定常模式空气流量对滑动弧强化燃烧的影响

实验时保持电源电压和频率不变， 调节交流电源数字脉冲调节器，使脉冲放电频率为50Hz，放电占空比为50%，调节甲烷高压气瓶，保持甲烷流量为3L/min，调节空气高压气瓶， 使空气流量分别为5L/min、6L/min、7L/min、8L/min 和9L/min，使用数码相机和光谱仪对火焰测量，结果如图7 所示。 通过图5、图7 可以看出，在非定常模式下，滑动弧也可以点燃甲烷/空气射流，随着空气流量从5L/min 增加到9L/min，甲烷正扩散火焰高度从38.5cm 降低到23.7cm，CH 基（431nm）相对发射强度从867a.u.unit增加901a.u.unit。 这对甲烷/空气扩散火焰来说，保持甲烷流量不变，增加空气流量，会降低火焰的高度，但会使甲烷燃烧产生更多的CH 基（413nm），与定常模式相比，非定常模式下CH 基（431nm）生成减少。

图7 非定常模式不同空气流量下扩散火焰燃烧图像

2.4 非定常模式下占空比对滑动弧强化燃烧的影响

实验时保持电源电压和频率不变， 调节甲烷高压气瓶和空气气瓶，保持甲烷流量为3L/min，空气流量为5L/min，调节交流电源调节数字脉冲调节器， 使脉冲放电频率为50Hz，电源放电占空比分别为10%、30%、50%、70%和90%，使用数码相机和光谱仪对火焰测量，结果如图8 所示。 通过图6 和图8 可以看出，在非定常模式下，电源放电占空比从10%增加到90%，滑动弧均可点燃甲烷/空气射流，并使稳定燃烧， 火焰高度从30.7cm 增加到34.9cm，CH 基从314a.u.unit 增加到1102a.u.unit， 这说明占空比的增加可以促进CH 基（431nm）生成，并且使火焰燃烧更加充分。

图8 非定常模式不同占空比下扩散火焰燃烧图像

3 结论

本文进行了滑动弧等离子体强化扩散火焰燃烧实验， 研究了滑动弧等离子体在定常和非定常两种放电模式下，对甲烷/空气射流气体点火助燃的研究。 通过数码相机对扩散火焰形态的拍摄，光谱仪对CH 基（431nm）的测量可以得出以下结论：

对甲烷/空气扩散火焰来说，在甲烷流量不变的情况下，增大空气流量，火焰高度会下降，当空气流量增加到一定极限时，火焰底部会抬升，继续增加空气流量，火焰会熄灭，滑动弧等离子体可以重新点燃熄灭火焰，并能使甲烷/空气射流稳定燃烧。

在定常放电模式下，保持甲烷流量不变，将空气流量从5L/min 增加到9L/min， 扩散火焰高度会降低，但CH 基（431nm）生成会增加，增加空气流量会使甲烷反应生成更多CH 基。

在非定常放电模式下，保持甲烷流量不变，将空气流量从5L/min 增加到9L/min， 扩散火焰高度也会降低，CH基（431nm）生成也会增加；保持甲烷和空气流量不变，将电源占空比从10%增加到90%，火焰高度和CH 基（431nm）均会增加，并且CH 基生成增加较多。