双模式放电中DBD放电参数对甲烷滑动弧火焰光谱及活性粒子的影响分析

2022-07-06王思远

光谱学与光谱分析 2022年7期

裴欢，陈雷*，王思远，杨昆，宋鹏

1. 沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁沈阳 110136 2. 大连民族大学机电工程学院，辽宁大连 116605

引言

等离子体强化燃烧是近十几年迅速发展起来的新型燃烧理论及技术手段[1]，其基本原理是采用放电技术激发气体分子形成活性粒子，通过提高反应体系活性、提高反应物温度、强化可燃气体流场传热传质的强度等因素实现燃烧强化[2]。在众多的放电方式中，介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)和滑动弧放电(gliding arc discharge，GAD)是两种较为常用的放电方法。 DBD可利用放电产生的活性自由基促进燃烧，进而达到改善燃料燃烧特性的目的[3]，是非平衡等离子体助燃的有效手段。 GAD是在高压电场激励下电极与金属壁面最窄处产生电弧通道，电弧被气流驱动着沿气流方向向前方滑动的一种放电形式[4]，滑动弧放电过程可以产生大量的高能电子、活性基团，可以提高化学反应速率[5]、加快化学反应程度。丁玉柱[6]等通过发射光谱法测量分析甲烷电离产生的CH基团可以促进甲烷燃烧。

在目前的等离子体强化燃烧研究工作中，研究对象多为单一放电方式。如果在电弧放电前先设法激励气体产生活性粒子，并且活性粒子作为反应物进行二次电弧放电，则有望对电弧放电的点火过程起到额外的强化作用。而目前，采用这种“双模式放电”的等离子体强化燃烧的相关研究尚未见报道。

基于此，本研究结合自主设计的双模式放电等离子体激励器，采用原子发射光谱法，对甲烷-空气-氩气混合气体的强化燃烧火焰进行了测量。在众多活性粒子中，CH基是CH4裂解的重要的中间产物，同时CH基也是CH4大分子化合物离解成为小分子化合物的重要标志，自身化学性质也很活泼，能与许多活性基发生化学反应，其分布能显示出燃烧的反应程度； OH自由基的增加能够促进链式反应的发生，从而加快整个反应速率[7]。因此，本文重点分析放电参数对火焰中CH基和OH基的影响规律。

1 实验部分

1.1 试验系统

采用的试验系统如图1所示，主要由双模式等离子体放电激励器、 CTP-2000K微秒脉冲型低温等离子体电源和滑动弧电源、示波器、单反相机、光谱仪和计算机组成。自主设计的双模式放电等离子体放电激励器由紫铜针状电极、紫铜柱状电极、聚四氟乙烯外壳、金属外壳等组成，该点火器的主体包含DBD放电段和GAD放电段两部分： DBD放电段主要是柱状电极和聚四氟绝缘件，实现介质阻挡放电的过程中产生大量的活性粒子，对燃烧产生辅助作用； GAD放电段主要是由一个金属空腔结构与中心针状电极组成，金属空腔结构为该点火器的金属外壳，电弧放电产生的高温电弧会将燃料点燃。试验过程中采用南京苏曼公司产的CTP-2000K微秒脉冲型低温等离子体电源和滑动弧电源为电极供电，微秒脉冲型低温等离子体电源放电电流电阻采样阻值为50 Ω，电压、电流及放电频率等参数由德科技的DSO-X3012T型数字型示波器来采集；氩气 (纯度为99.99%) 、空气、甲烷分别由气瓶供给；火焰的光谱信息由海洋光学MX2500+8八通道光纤式光谱仪采集，其光纤探头固定在离火焰中部轴向10 mm的位置，采集到的光谱信息通过软件保存在计算机中。

图1 试验装置及测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of test deviceand measurement system

1.2 试验工况

根据潘宁效应所知，氩气是惰性气体不参加化学反应。电离过程中亚稳态的氩原子与分子撞击而发生的离化效应，有利于帮助甲烷的电离，容易使得C—H键断裂。故在甲烷/空气混合气中掺混氩气促进电离，并进行滑动弧点火，对光谱仪采集的光谱图进行分析。在相同输入功率下，通过气瓶输入气体，固定氩气流量不变，调整空气流量为4.76 L·min-1，并加入甲烷0.5 L·min-1，保证氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶(CH4+Air)=1∶30，并保持当量比φ=1。控制DBD段放电电压和放电频率分别在15～20 kV和6～10 kHz范围内变化，GAD段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定，通过不同放电参数下的火焰光谱进行分析，判断其对火焰的影响。表1所示为本试验具体工况。

表1 DBD激励甲烷滑动弧火焰试验工况Table 1 Test condition of activated methanegliding arc flame of DBD

1.3 方法

采用高速摄影法+发射光谱法的检测方法对甲烷燃烧火焰进行诊断，重点研究火焰的特征光谱及活性粒子随放电参数的变化趋势。火焰中会有较多处于高能级的分子发生跃迁过程，而不同分子进行跃迁过程时产生的特征谱线波长是不同的[8]。由于火焰中部的光谱信息最强，因此在试验时如图2所示沿火焰高度方向将火焰三等分，并以火焰中部为测量点对火焰发射光谱进行采集，为了避免实验偶然性，每个测量点均采集五次取平均值。

图2 火焰结构划分方法Fig.2 Flame structure division method

2 结果与讨论

2.1 火焰特征谱线分析

图3所示为双模式放电的特征谱线图，图4为不同种类活性基的特征谱线，其中图4(a)为OH基团特征谱线，图4(b)为CH基团特征谱线。图3中DBD段的放电频率为10 kHz、放电电压分别为0，18和20 kV，放电电压为0 kV时对应单GAD放电点火。

图3 双模式放电的特征谱线图Fig.3 Characteristic spectral line diagramof dual-mode discharge

图4 双模式放电情况下不同活性基对应的火焰谱线图(a): OH基团特征谱线; (b): CH基团特征谱线Fig.4 Flame line diagram for different activebases in dual-mode discharge(a): OH; (b): CH

如图3和图4所示，DBD激励甲烷滑动弧火焰光谱中主要有OH基团、 N2第二正带系N2SPS(second positive system，SPS)系列谱线[9]、甲烷脱氢后产生的CH基团[10]。这些自由基是反应的中间产物，能够促进化学反应的进行，提高反应速率。单GAD点火的火焰光谱中得到的活性基谱线的相对光谱强度很低，DBD放电后，自由基的相对光谱强度都出现增长。

图4(a)为OH基团的光谱，主要分布在306～315 nm之间，图4(b)为CH基团的光谱，甲烷脱氢后产生的CH基团分布在430～435 nm区间范围。如图所示，双模式放电的光谱强度明显强于单模式放电；随着放电电压的增大，OH基和CH基的光谱强度随之增大。 DBD放电后，这些自由基光谱强度得到了明显的提高，说明放电加大了自由基的产生，可以促进GAD的火焰反应程度。

2.2 电压-电流波形

由于不同放电电压条件下的电流-电压波形图的结构十分类似，因此仅给出如图5所示的15 kV的波形图。

如图5所示，在每个放电周期内，电压上升沿及下降沿上均可发现一个剧烈的电流脉冲，上升沿放电完全后开始下一次的放电。由于同轴内外电极不对称，导致放电电流的脉冲丝数量在上下周期是不一致的，而且放电由内电极向外电极运动时更容易发生。放电过程中脉冲下降沿的反向电流峰一直低于正向电流峰，随着电压升高，反向电流峰越来越明显，峰值逐渐增大[11]。

2.3 放电参数对火焰光谱活性粒子的影响

2.3.1 放电参数对CH基团的影响

CH基是甲烷裂解的重要的中间产物，同时CH基也是CH4大分子化合物离解成为小分子化合物的重要标志，自身化学性质也很活泼，能与许多活性基发生化学反应。因此，火焰中CH基的分布可以表示燃烧程度，也可以体现DBD激励甲烷对火焰燃烧的辅助作用。

图6所示为CH基光谱强度随电压及频率的变化。从图中可以看出，单模式放电时CH基的相对光谱强度较低，DBD放电后CH基升高，同时随着电压及频率的升高，火焰中CH基的相对光谱强度均明显增大，这说明随着放电参数的增大甲烷的电离程度也更加明显。甲烷离解生成CH基的方程式如下[12]

CH4+e→CH3+H+e

(1)

CH3+e→CH2+H+e

(2)

CH2+e→CH+H+e

(3)

从式(1)—式(3)可以看出，CH4分子的C—H键的断裂主因是其与高能电子及活性基团之间的非弹性碰撞。当放电电压较低时，电子平均动能较低，CH4分子与电子发生非弹性碰撞程度低，故低电压时CH基团的相对光谱强度相对较低。随着电压和频率的逐渐增大，电子平均动能增大，CH4分子与电子发生非弹性碰撞程度不断增大，DBD段产生的活性粒子数增加，所以CH基团的相对光谱强度升高。随峰值电压的增大放电区域内的场强随之增大，DBD放电段等离子体内高能电子在电场的作用下具有更高能量，活性粒子从激发态退激到基态的数目也随之增大，放电区内生成的高能电子数目变多。 CH4裂解的程度越大，生成的CH基越多，火焰中CH基的光谱强度也越高。

图6 CH基光谱强度随电压及频率的变化趋势Fig.6 Changes of spectral intensity of CHbase with voltage and frequency

2.3.2 放电参数对OH基团的影响

OH基是燃料燃烧过程中重要的中间体[13]，主要分布在火焰前锋和产物区。根据链式反应原理，活性基的含量可以促进反应的进行，加快整个反应速率。通过对OH基分布特征的分析，可以得到甲烷燃烧的化学反应速率信息。

图7为火焰中OH基光谱强度随电压及频率的变化趋势。如图7所示，单模式时OH基团的相对光谱强度较低，DBD放电后OH基团相对光谱强度升高，随放电电压和放电频率的增长，其表现整体增长的变化趋势，放电电压升高时，OH基团逐渐增加，出口的火焰燃烧反应更加充分，较高的火焰温度利于OH生成。电压为15 kV时，此时甲烷燃烧不完全，较低的温度不利于燃烧过程生成OH。而随着电压和频率升高，活性粒子增多，甲烷与空气混合更加充分，火焰温度也逐渐升高，促进了链式反应中OH生成，有效促进火焰内部的链式化学反应进程。