大气压空气滑动弧等离子体发射光谱诊断

杨 昆，陈 雷，程凡翀，裴 欢，刘桂铭，王保怀，曾 文

沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁 沈阳 110136

引 言

滑动弧放电等离子体是高速气体来流在电极间隙最窄处放电击穿产生电弧的一种周期性等离子体放电方式。在放电过程中，电弧在高速气流的推动下沿着电极滑动，直至达到极限(电场提供的能量不足以维持电弧的热量耗散)后熄灭，并重新在电极间隙最窄处产生新电弧。滑动弧等离子体具有较低宏观气体温度、较高电子密度及电子温度的特点，因此被国内外研究者广泛研究并实际应用。自Czernichowski开创性的将滑动弧等离子体应用于H2S的降解以来，滑动弧等离子体在燃料重整制氢[1]、点火助燃[2]、废水处理[3]等领域得到广泛应用。张若兵等[4]探究了电极结构对二维滑动弧等离子体尺寸的影响，发现电极张角和电极长度对等离子体的宽度和长度有明显影响；何立明等[5]验证了滑动弧放电有A-G和B-G两种放电模式，且两种模式占比受放电电压和电极几何结构影响；钟犁等[6]探究了进气量、放电间隙对二维滑动弧的放电电压等物理参数的影响，并对放电的平衡特性进行了定量分析，发现10～35 L·min-1的中等流量条件适用于气体处理；张浩等[7]研究了进气流量和CH4/Ar掺混比对甲烷裂解制氢影响，发现旋转滑动弧可以在较高CH4处理量下获得较高CH4转化率。Wu等[8]通过发射光谱法研究了气体流速对大气压下Ar/N2旋转滑动弧等离子体振动温度的影响，发现振动温度在气体流速2～16 L·min-1工况下先增大后减小，在12 L·min-1时达到最大。

滑动弧等离子体在点火助燃[9-10]、燃油雾化[11]等方面的应用日益增多；目前国内外对滑动弧理论研究多采用惰性气体作为工作气体，与点火助燃及燃油雾化的实际工作气体并不一致。本文通过对空气滑动弧等离子体进行光谱诊断，研究Ar体积流量qAr、调压器电压U调对空气滑动弧等离子体的振动温度、电子密度及产生的OH及O的相对光谱强度的影响，为空气滑动弧等离子体在点火助燃、燃油雾化等领域的应用提供帮助。空气滑动弧等离子体能在较低能耗下促进化学反应活性，必将在点火助燃、燃油雾化方面应用占据一席之地，使其实现广泛应用成为一种可能。

1 实验部分

1.1 装置

图1所示为本试验的试验系统图。放电装置为本课题组自主研制的滑动弧激励器，由两片紫铜刀形电极、聚四氟乙烯绝缘罩、聚四氟乙烯喷嘴、聚四氟乙烯进气管组成，紫铜电极厚10 mm，总长100 mm，发展段(电极上电弧产生且滑动的电极弧段)长75 mm、弧度60°，与聚四氟乙烯绝缘罩通过螺纹连接，可调节放电间隙，两电极分别与等离子体电源高压、接地端相连。聚四氟乙烯进气管内径6 mm，壁厚2 mm，与聚四氟乙烯绝缘罩通过螺纹连接，可调节进气管与电极最窄间隙间的距离。

图1 试验器及测试系统图

试验中采用CTP-2000K交流等离子体电源供电；采用Tronix-TDS1002数字型示波器监控放电电压及输入频率；试验载气分别由纯度99.99%的空气及Ar瓶提供，空气和Ar经由各自气体管路通入后预混再通入试验器进行滑动弧等离子体放电；光谱信息由海洋光学MX2500+多通道光谱仪采集，每一工况光谱信息均采集10次后取平均值。

1.2 光谱诊断方法

1.2.1 试验工况

本研究中，光谱测量采用发射光谱法。试验中固定qAir=15 L·min-1、f=10 kHz不变，两电极最窄处间隙固定为8 mm，进气管距离电极最窄处为10 mm，为能在光谱仪采集范围内清晰采集光谱信息，光纤探头固定在距滑动弧放电区域垂直高度10 mm位置处。空气击穿电场远大于Ar的，加入Ar后产生的潘宁电离效应能促进空气电离，为探究Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响，改变qAr及U调进行发射光谱诊断。

1.2.2 电子密度的计算

电子密度表征等离子体电离度强弱，较常用的计算方法是谱线展宽测量法[12-13]，可以用H谱线也可用非H谱线计算，H原子谱线与电子密度满足式(1)

(1)

式(1)中，Δλ1/2为谱线线宽，Ne即为电子密度。

高斯函数表达式为

(2)

对式(2)积分可得高斯曲线的峰面积

(3)

由式(2)可得谱线线宽

(4)

联立式(3)和式(4)解得

(5)

本文选用Hα(656.3 nm)谱线进行高斯拟合可得峰面积S及谱线高度a，代入式(5)即可求出Δλ1/2，由式(1)即可求得电子密度。

1.2.3 振动温度的计算

振动温度是反映等离子体放电过程中能量输运的重要参数之一，目前常用计算方法为Boltzmann图法。当等离子体处于LTE时，上态分子数满足Boltzmann分布

KTν(lnN0-lnNν′)=Eν′

(6)

N2分子的谱线强度为

(7)

分子上态振动能量为

Eν′=ωe(ν′+0.5)+ωexe(ν′+0.5)2+ωeye(ν′+0.5)3+…

(8)

式(8)中等式右边第三项后的各项很小，计算时可略去，联立式(6)、式(7)和(8)可得

(9)

本文中选用分布在300～450 nm间的N2分子第二正带系三组振动带序共8条谱线进行线性拟合得到斜率再计算出振动温度Tν。

2 结果与讨论

2.1 特征谱线分析

图2所示为U调=120 V，qAr=0～4 L·min-1工况下滑动弧放电等离子体特征谱线。如图2所示，当qAr=0 L·min-1时，空气滑动弧等离子体中的活性粒子主要有波长分布在306～315 nm间的OH(A2Σ+→X2Π)谱带，330～450 nm间的N2(C3Πu→B3Πg)第二正带系，Hα(656.3 nm)及光谱强度较强的波长777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波长844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。其中OH(A2Σ-→X2Π)及Hα(656.3 nm)产生是因为空气中存在的微量水被电离。当qAr=4 L·min-1时，O(3P5P0→3S5S0)，O(3P3P→3S3S0)，OH(A2Σ+→X2Π)相对光谱强度显著增大，且增加了谱线分布在680～900 nm间的ArⅠ和ArⅡ原子。这表明加入Ar能有效帮助空气滑动弧放电。究其原因，Ar的加入促进了潘宁解离效应，增加了中性气体分子与自由电子的碰撞频率，从而提高空气解离。

图2 滑动弧等离子体发射光谱

2.2 qAr、U调对O(777.4 nm)光谱发射强度的影响

图3为不同U调下qAr对空气滑动弧放电产生O(777.4 nm)相对光谱强度影响。如图3所示，加入Ar能增强O(777.4 nm)相对光谱强度，O(777.4 nm)相对光谱强度随qAr增大先缓慢增长、再快速增大到极大值、随后缓慢减小并趋于稳定。究其原因，加入Ar促进了潘宁解离效应，使O2分子与高能电子碰撞频率增强，从而解离出更多O。随qAr不断增加，Ar亚稳态不断增加，潘宁解离效应增强，从而使得O(777.4 nm)相对光谱强度急剧增大。而随qAr继续增大，Ar*激发态粒子对能量消耗增大，导致高能电子获得能量减小，从而使得O(777.4 nm)相对光谱强度有少量降低并趋于稳定。从图3可看出，在低qAr(0～3 L·min-1)，电压对O(777.4 nm)相对光谱强度变化趋势影响较小，而在高qAr(4～6 L·min-1)，随U调增大，O(777.4 nm)相对光谱强度变化趋势有较大变化。可能因为，在低qAr，气体总量较小，电极两端向等离子体放电区提供能量充足，放电空间平均电子能量足以维持高能电子与O2发生碰撞的能量提供；而随qAr增加，电极两端放电空间平均电子能量降低，导致在qAr=4～6 L·min-1，O(777.4 nm)相对光谱强度随电压变化增大。

图3 不同工况下O原子相对光谱强度

2.3 qAr、U调对OH(313.4 nm)光谱发射强度的影响

图4为不同电压下qAr对空气滑动弧放电等离子体产生OH(313.4 nm)相对光谱强度影响。从图4中可看到，加入Ar使OH(313.4 nm)相对光谱强度明显增加，随着qAr增大，OH(313.4 nm)相对光谱强度先增大再减小并趋于稳定。究其原因，加入Ar促进了潘宁解离效应，H2O分子与自由电子碰撞几率增大，从而增大了OH(313.4 nm)相对光谱强度。随qAr增大，Ar亚稳态与Ar*激发态粒子浓度增大，从而增强了潘宁解离效应及H2O分子与Ar*激发态粒子的碰撞几率，使得OH(313.4 nm)相对光谱强度明显增大。随qAr继续增大，Ar*激发态粒子对能量消耗增大，导致高能电子获得能量减小，使得OH(313.4 nm)相对光谱强度有少量降低并趋于稳定。从图4中还可以看到，在较低U调(100 V)，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr变化不明显，这可能因为在低电压时输入能量密度较小，而O2分子及Ar*激发态粒子对自由电子的捕捉能力较强，使得H2O分子与自由电子碰撞频率较小。而随电压增大，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr变化明显：在低qAr(0～4 L·min-1)，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr增大而明显增大。这可能因为随着电压增大，输入能量密度增大，自由电子平均动能增大，使得H2O分子与自由电子碰撞频率增大；另一方面，潘宁解离效应使得H2O分子与自由电子碰撞频率增大。从而使得OH(313.4 nm)相对光谱强度增大。在qAr=1～2 L·min-1，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr变化不明显，而随电压增大，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr增大显著增大。

图4 不同工况下OH相对光谱强度

2.4 qAr、U调对振动温度的影响

图5为不同电压下qAr对空气滑动弧放电等离子体振动温度影响。如图5所示，振动温度在5 400～8 700 K间变化。保持电压不变，随qAr增大，振动温度先增大再减小，在qAr=3 L·min-1时达到极大值。可能因为Ar加入使得氩亚稳态与氮分子发生潘宁效应，氮分子与自由电子碰撞几率增大，从而氮分子振动激发增强，使得振动温度增大。而随qAr增加，一方面，激发态氩原子相比自由电子获取更多能量，导致自由电子与氮分子碰撞频率降低；另一方面，高振动态激发态氮分子与中性氮分子碰撞频率增大，造成振动驰豫增强，导致振动温度到最高值后开始降低。随U调增大，振动温度增大，且随qAr增大的增长趋势也随U调增大愈加明显。可能因为随U调增大，滑动弧等离子体区输入能量密度增大，自由电子平均动能增大，基态N分子与自由电子非弹性碰撞频率增大，因此振动温度增大。

图5 不同工况下振动温度

2.5 qAr、U调对电子密度的影响

通过分析Hα(696.3 nm)谱线的Stark展宽，可计算等离子体电子密度。图6为qAr对空气滑动弧放电等离子体电子密度影响，如图6所示，通入Ar能显著增加电子密度，在qAr=0～4 L·min-1，电子密度增长趋势明显，且在1.15～2.04×1017cm-3间变化。随qAr继续增大，在低U调(100～120 V)，电子密度先增大再减小并趋于稳定；在高U调(140～160 V)，电子密度先增大再缓慢增大并趋于稳定。究其原因，加入Ar促进了潘宁电离效应发生，从而提高电离效率使得电子密度增加。而随qAr增加，在低U调(100～120 V)，一方面更多能量被Ar*激发态捕获，另一方面，气体密度增大导致电子平均自由程减小。二者共同导致自由电子与基态粒子碰撞频率降低，使得电子密度减小。在高U调(140～160 V)，电极两端电压增大，输入能量密度增大，被Ar*激发态捕获能量占比变小，Ar*激发态对电子密度产生的抑制作用变小，因此，电子密度随qAr增大有少许增大并趋于稳定。从图6可看到，U调变化也对电子密度造成影响。随U调增大，电子密度增大，且增长趋势更为明显。可能因为，一方面U调增大导致电场强度增强，自由电子能获得更多能量而与粒子碰撞频率增大而产生更高密度自由电子。另一方面，激发态氩原子会捕获一部分能量，使得在低U调，电子密度增长受到一定程度抑制；而随U调增大，输入能量密度增大，Ar*激发态捕获能量占比变小，使得电子密度增长趋势随U调增大而增大。

图6 不同工况下电子密度

3 结 论

在大气压条件下利用刀片电极滑动弧等离子体发生器对空气进行电离，并对滑动弧等离子体进行光谱特性诊断分析，探究增加Ar和改变电压对空气滑动弧放电等离子体的影响，结果如下：

(1)在大气压条件下，空气滑动弧等离子体中的活性粒子主要有波长分布在306～315 nm间的OH(A2Σ+→X2Π)谱带，330～450 nm间的N2(C3Πu→B3Πg)第二正带系，Hα(656.3 nm)及光谱强度较大的波长777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波长844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。当加入Ar后，增加谱线集中在680～900 nm间的ArⅠ和ArⅡ原子，可以看到，加入Ar能有效帮助空气滑动弧放电。

(2)空气流量一定，加入Ar能增强O(777.4 nm)相对光谱强度，O(777.4 nm)相对光谱强度在1 580～6 650 a.u.间变化。随qAr增大，O(777.4 nm)相对光谱强度先缓慢增长、再快速增大到极大值、随后缓慢减小并趋于稳定。电压对O(777.4 nm)相对光谱强度影响受qAr影响：在低qAr(0～3 L·min-1)，电压对O(777.4 nm)相对光谱强度变化趋势影响较小，而在高qAr(4～6 L·min-1)，随电压增大，O(777.4 nm)相对光谱强度变化趋势有较大变化。

(3)空气流量一定，Ar加入使OH(313.4 nm)相对光谱强度明显增加，OH(313.4 nm)相对光谱强度在235～311 a.u.间变化。随qAr增大，OH(313.4 nm)相对光谱强度先增大再减小并趋于稳定。在较低电压(100 V)下，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr变化不明显；而随电压增大，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr变化明显，在低qAr(0～4 L·min-1)，OH(313.4 nm)相对光谱强度随qAr增大明显增大。

(4)空气流量一定，通入Ar和增大电压都会使振动温度增大，振动温度在5 400～8 700 K间变化，其中振动温度随Ar加入显著增大，且随qAr增大先增大再减小，在qAr=3 L·min-1时达到极大值。振动温度随U调增大而增大，且随U调增大，振动温度随qAr的增长趋势更明显。

(5)空气流量一定，通入Ar和增大电压都使电子密度增大，其中通入Ar能显著增加电子密度，在qAr=0～4 L·min-1，电子密度增长趋势明显，在1.15～2.04×1017cm-3间变化。随qAr增大，在低U调(100～120 V)，电子密度先增大再减小并趋于稳定，在高U调(120～140 V)，电子密度先增大、再缓慢增大并趋于稳定。U调变化也会影响电子密度：电子密度随U调增大而增大，且增长趋势变大。