滑动弧辅助甲烷/氨旋流火焰的稳燃和排放特性

本文针对滑动弧等离子体辅助下的甲烷/氨气/空气预混旋流火焰,研究了其燃烧稳定性以及NO_x排放特性。研究结果表明,滑动弧不仅能够大幅拓展甲烷/氨气/空气预混旋流火焰的贫燃吹熄极限(在开放空间和受限空间中,贫燃吹熄极限分别从0.60～0.80拓宽到0.30),同时能够降低NO_x排放量。随后,通过NH₂^*化学自发光的光学测量,分析了滑动弧等离子体降低NO_x排放的可能机理。     

氩气/甲烷/空气介质阻挡放电等离子体的发射光谱诊断

为了获得可燃气体的放电及等离子体发射光谱特性,进一步揭示等离子体助燃作用下燃料在稀燃状态的点火与燃烧特性,在常压下以氩气作为载气对预混的甲烷和空气进行放电研究。实验基于平行板电极射频(13.56 MHz)介质阻挡放电的等离子体发生装置,首先在常压下对体积分数为90%氩气/10%空气的混合气体开展放电研究;再在90%氩气含量不变的情况下,调节空气含量并加入与之能形成燃烧化学当量比Φ＝1的甲烷,氩气/甲烷/空气的混合气体同样能实现稳定而均匀的放电;最后分别在90%氩气含量不变,甲烷和空气在当量比为Φ＝0.4～1.9六种情况下进行放电实验。由光谱仪记录不同放电工况下的发射光谱信息,诊断反应产物类型,利用观测到的氮分子第二正带系(0-2)380.4 nm和(1-3)375.4 nm处的发射谱线,与自编程序计算的模拟谱线拟合,得出分子转动温度(即气体温度)。研究结果表明：通过拟合模拟光谱与实验所测发射光谱的方法推测分子转动温度,进而获得气体的平动温度,氩气/空气放电的气体温度可达到1 150 K,氩气/甲烷/空气Φ＝1时放电气体温度升高到1 390 K;甲烷与空气形成不同当量比时,所测等离子体气体温度相对于90%氩气/10%空气混合气体温度的温升在70～240 K范围变化;由光谱信息观测到CH,H,OH和CH₂O等活性粒子的存在以及气体温度的升高,表明可燃成分混合气在射频电场放电作用下发生等离子体燃烧化学反应并释放出化学热。     

甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体,能够产生大量的电子、离子、激发态粒子和活性基团,在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能,而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程,使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。本实验通过发射光谱测量,分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种（OH,CH和C₂）,测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量（放电电压、混合当量比）变化的规律。对于非预混情况,实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大,火焰总体长度变短,火焰面出现褶皱,火焰根部蓝色区域面积不断扩大,在22 kV时,大约占总火焰面积的1/2。对火焰根部的发射光谱测量结果表明,当电压达到16 kV时,发射光谱明显增强,而当电压进一步增大到22 kV时,这些自由基粒子的光谱强度却出现下降,这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大,导致燃烧区发生移动远离喷口,使采集到的火焰根部区域变小造成的。另外,研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程,实验发现燃料当量比为2时,OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C₂(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小,反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。     

基于火焰发射光谱的转动温度和振动温度的测量

利用光学多通道分析仪(OMA)对酒精和煤油在大气中燃烧时的火焰发射光谱进行了分析.实验发现上述火焰发射光谱在275-600 nm波段范围内存在多支辐射强度很大的带状分子光谱,其中以OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r(300-330 nm),CH自由基A²Δ→X²Π(410-440 nm)和C₂自由基A³Π_g→X³Π_u(500-520 nm)电子带系的发射光谱最为强烈.实验中采用高分辨率光栅对OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的精细结构进行了分析.与此同时,本文基于分子光谱理论计算了不同转动温度和振动温度条件下OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的强度分布,同时通过理论计算光谱和实验光谱进行比较确定了酒精燃烧火焰的转动温度和振动温度. 关键词： 火焰发射光谱 谱线强度 转动温度 振动温度     

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

对未燃烧的可燃混合气体进行DBD放电,放电后会产生大量的活性粒子,这些活性粒子可以辅助气体燃烧,达到提高燃料燃烧利用率等目的。以DBD激励氩气、甲烷、空气产生的自由基（CH基和OH基）等强化燃烧的关键活性粒子为探索对象,研究DBD放电激励甲烷对滑动弧火焰的影响。为此,采用自主设计的DBD-滑动弧双模式等离子体激励器,利用同轴介质阻挡放电结构对氩气、甲烷、空气混合气进行放电激励,将激励后的氩气、甲烷、空气混合气通入滑动弧端进行点火。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,保证进气通道内氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶（CH₄+Air）=1∶30,其中空气、甲烷这两种气体达到了化学燃烧当量比φ=1,氩气、甲烷、甲烷混合气体能实现均匀而稳定的放电并燃烧。DBD段放电电压在15～20 kV范围变化,放电频率在6～10 kHz范围变化,滑动弧段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定,通过改变DBD段放电电压和放电频率,用高速光纤光谱仪检测滑动弧火焰中自由基种类及其光谱强度,分析放电参数激励甲烷对火焰中自由基（CH基和OH基）的影响。结果表明,DBD段放电电压及放电频率的增加可以促进火焰内部的偶联反应发生,可有效提升甲烷滑动弧火焰内部的活性粒子含量,其中OH基团、CH基团在燃烧链式化学反应进程中发挥着较为重要的作用。甲烷经过DBD激励后,随放电电压和频率的增加,火焰中OH基、CH基等主要活性粒子都随之增加。DBD放电后,活性粒子的光谱强度增大,特征谱线比单模式更加明显;甲烷经过DBD激励后,火焰组成发生了变化,滑动弧段出口处甲烷燃烧反应更加充分,火焰温度越高越容易产生OH基。与单模式滑动弧相比,双模式放电可有效促进火焰内部的链式化学反应进程,促进燃料燃烧。     

H2， He混合稀释生长微晶硅锗薄膜

采用H₂,He混合气体稀释等离子辅助反应热化学气相沉积法生长微晶硅锗薄膜,并在生长过程中对等离子体进行光发射光谱在线监测.结果表明：混合气体稀释法可以有效提高等离子体中的原子氢数目,降低等离子体中的电子温度;用XRD和光暗电导率表征样品的微结构和光电特性时发现,通过优化混合稀释气体中He和H₂气体的比例,能够减少薄膜中的缺陷态,促进薄膜<220>择优取向生长,有效改善微晶硅锗薄膜结构,提高光电吸收性能. 关键词： 化学气相沉积 微晶硅锗薄膜 光发射光谱 X射线衍射     

Ar/CH4等离子体射流发射光谱诊断研究

为了更加深入的研究大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电机理和其内部电子的状态,通过自主设计的针-环式介质阻挡放电结构,在放电频率10 kHz、一个大气压条件下产生了稳定的Ar/CH₄等离子体射流,并利用发射光谱法对其进行了诊断研究。对大气条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电现象及内部活性粒子种类进行诊断分析,重点研究了不同氩气甲烷体积流量比、不同峰值电压对大气压Ar/CH₄等离子体射流电子激发温度、电子密度以及CH基团活性粒子浓度的影响规律。结果表明,大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流呈淡蓝色,在射流边缘可观察到丝状毛刺并伴有刺耳的电离声同时发现射流尖端的形态波动较大;通过发射光谱可以发现Ar/CH₄等离子体射流中的主要活性粒子为CH基团,C,CⅡ,CⅢ,CⅣ,ArⅠ和ArⅡ,其中含碳粒子的谱线主要集中在400~600 nm之间,ArⅠ和ArⅡ的谱线分布在680~800 nm之间;可以发现CH基团的浓度随峰值电压的增大而增大,但CH基团浓度随Ar/CH₄体积流量比的增大而减小,同时Ar/CH₄等离子体射流中C原子的浓度随之增加,这表明氩气甲烷体积流量比的增大加速了Ar/CH₄等离子体射流中C-H的断裂,因此可以发现增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可明显的加快甲烷分子的脱氢效率,但增大氩气甲烷体积流量比的脱氢效果更加明显。通过多谱线斜率法选取4条ArⅠ谱线计算了不同工况下的电子激发温度,求得大气压Ar/CH₄等离子体射流的电子激发温度在6 000~12 000 K之间,且随峰值电压与氩气甲烷体积流量比的增大均呈现上升的趋势;依据Stark展宽机理对Ar/CH₄等离子体射流的电子密度进行了计算,电子密度的数量级可达1017 cm-3,且增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的探索对大气压等离子体射流的研讨具有重大意义。     

CRDS-CARS-PLIF技术精确定量测量火焰OH浓度实验研究（英文）

在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上，采用脉冲式光腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)实现了对OH分子浓度的定量测量。根据光腔衰荡吸收光谱理论，选取OH的A₂Σ⁺-X₂Π(0,0)电子跃迁带中的P₁(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm,并测量空腔(光腔中无火焰)的衰荡时间为2.33μs。通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数，分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min^-1)和空气(15...     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。     

等离子体对含硼两相流扩散燃烧特性的影响

为排除来流空气对含硼燃气的掺混效应, 研究等离子体对含硼富燃料推进剂在补燃室二次燃烧过程的影响, 建立了含硼两相流平行进气扩散燃烧物理模型. 利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室二次燃烧的火焰图像, 分析了该物理模型的扩散燃烧特性和硼颗粒的二次点火距离. 采用硼颗粒的King点火模型、有限速度/涡耗散模型、颗粒轨道模型和RNG k-ε模型以及等离子体模型, 模拟了一定条件下等离子体对含硼两相流扩散燃烧过程的影响. 结果表明, 依据含硼燃气二次燃烧图像得到的硼颗粒二次点火距离, 与数值模拟结果基本一致, 保证了该物理模型和计算方法的可靠性. 含硼两相流经过等离子体区域后, 硼颗粒在运动轨迹上颗粒温度明显增加, 颗粒直径明显减小, B₂O₃的质量分数分布区域明显扩增, 70%的硼颗粒在到达补燃室2/3尺寸前燃烧效率已达到100%, 硼颗粒充分燃烧释放出更多热量导致中心流线区域温度增加近1/2, 可见等离子体可以明显强化含硼两相流的燃烧过程, 提高硼颗粒的燃烧效率.     

�͹��ʵ绡�ŵ縨������ȼ�յ�ʵ���о�

Different ratios of methane/air in the low power arc discharges assisted methane combustion were studied at atmospheric pressure. Plasma emission spectroscopy was recorded by an optical emission spectrometer. The possible physical and chemical reaction process and mechanisms were discussed. With a plasma in the on or off state, the physical appearances of the methane combustion flame were observed and compared, the temperature of the flame in the main combustion zone was investigated. The gas compositions of CH₄, CO and O₂ were analyzed by the gas chromatography and flue gas analyzer. The results showed that when plasma was in the on state, the temperature of flame increased and the combustion efficiency enhanced in stable combustion due to decrease of CH₄, CO and O₂; the combustion enhancement was more obvious at low ratio of methane/air; the rich combustion limits in terms of the ratio of methane/air was extended from 16% to 21%.     

温度对微通道CH4/O2/H2O自热重整暂态特性的影响

利用计算流体力学软件CFD和化学反应动力学软件CHEMKIN研究了微通道内催化壁面温度、反应混合气体初始温度对镍基催化剂上CH₄/O₂/H₂O自热重整反应暂态特性的影响。结果表明,微通道内的甲烷自热重整反应暂态特性与温度关系密切。温度越高,反应趋于平衡所需的时间越短;当反应器壁面温度较高时,提高反应混合气入口温度对反应影响不大;在相同的温升下,提高反应器壁面温度比提高反应混合气体初始温度对反应过程中氢气的产生和甲烷的转化更有利。     

液体火箭推力室面板发汗冷却与燃烧耦合数值模拟

对推力室的喷嘴多孔面板的发汗冷却和燃烧室内的燃料燃烧过程进行了耦合数值计算,建立了一个带燃烧的三维、真实气体、变物性的推力室CFD计算模型。利用UDF编写了CH₄、O₂、CO₂、H₂O气体的实际气体状态方程,并根据NIST物性数据拟合了不同温度和压力下各气体的比热容、扩散系数、黏性系数和导热系数等物性多项式。基于EDC模型建立了甲烷-氧燃烧的多步反应机理。计算了三种厚度的面板和多种燃料进口工况下的推力室内的发汗冷却和燃烧过程,研究了面板厚度、冷却剂进出条件等因素对发汗冷却和燃烧过程的影响规律。     

O2/CO2气氛下CO对煤焦异相还原NO影响的研究

为揭示O₂/CO₂燃烧过程中高浓度的CO对煤焦异相还原NO的影响,在1073 K温度下使用山西褐煤在卧式炉上进行了实验。分别对O₂/CO₂浓度比及CO浓度下NO的还原特性进行详细实验研究。研究结果表明:在O₂/CO₂气氛下,O₂浓度为30%时具有较高的还原率;相同O₂浓度下O₂/CO₂气氛较空气气氛NO还原率高,表明在CO存在的条件下,高浓度的CO₂会促进NO的还原;当CO浓度从1.5%逐渐升高时,NO的还原率逐渐降低,到CO浓度为5%时,NO还原率比没有加入CO时还要低,而在空气气氛下CO浓度的变化对NO的还原率影响较小。     

基于Raman与FTIR对掺甲烷乙烯/氢气扩散火焰碳烟有序度和官能团的研究

以甲烷、乙烯、氢气混合扩散火焰碳烟为研究对象,采用激光共聚焦拉曼光谱（Raman）和傅里叶红外光谱（FTIR）研究了不同掺甲烷比例下乙烯、氢气混合火焰碳烟有序度及官能团的分布特性,分析了碳烟石墨化和官能团分布,揭示了掺甲烷对乙烯/氢气（氢气比例30%）层流扩散火焰的碳烟生成影响规律。Raman研究表明在甲烷掺混比为3%和7%时,在火焰高度低于4cm位置生成的碳烟有序程度显著降低,表明在此区域存在明显的碳烟生成协同效应;甲烷掺混比增大超过10%时,协同效应基本消失,碳烟有序度上升。FTIR研究表明掺混甲烷对碳烟官能团组成影响明显。掺混甲烷后脂肪族官能团相对含量整体提高。随着甲烷掺杂比的增大,CH₂相对含量增大到一峰值后减小。碳烟中芳香族官能团含量随着火焰高度的上升含量下降明显。掺混3%和7%甲烷,芳香族官能团在2和3 cm火焰高度时,芳香族官能团的含量明显上升。掺混甲烷比高于10%时,芳香族官能团的含量则有所降低。表明少量甲烷掺混使得CH₃和C₃H₃生成有了新的途径,CH₃和C₃H₃增加,而C₂H₄和C₂H₂减少不明显,从而促进了多环芳香烃(PAHs)的生成。继续增加甲烷因为稀释作用会抑制C₂H₂生成从而减少PAHs的生成,芳香族相对含量降低,因而降低了碳烟的生成。研究揭示了甲烷对乙烯/氢气层流扩散火焰中碳烟形成的相互作用：在低甲烷掺混比时存在协同效应促进碳烟生成,而在高甲烷掺混比时协同效应消失。     

大气压非平衡等离子体甲烷干法重整零维数值模拟

大气压非平衡等离子体由于其独特的非平衡特性,可为甲烷和二氧化碳稳定温室气体分子活化和重整提供非热平衡和活化环境.本文采用了零维等离子体化学反应动力学模型,考虑了详细的CH₄/CO₂等离子体化学反应集,重点研究了反应气体CH₄/CO₂摩尔分数(5%—95%)对大气压非平衡等离子体甲烷干法重整制合成气和重要含氧化合物的影响.首先,给出了进料气体不同体积比时电子密度和温度随时间的演化规律,结果表明初始甲烷摩尔分数的提高有利于获得较高的电子密度和电子温度.随后,讨论了主要自由基和离子数密度在不同的甲烷摩尔分数下随着时间的变化规律,并给出了反应气体的转化率、合成气体和重要含氧化合物的选择性.此外,还明确了合成气和含氧化合物主要生成和损耗的化学反应路径,发现甲基和羟基是合成含氧化合物的关键中间体.最后,归纳总结给出了主要等离子体粒子之间的总体等离子体化学反应流程图.     

氢气对薄反应区湍流火焰详细火焰结构影响研究

氢是一种非常有前景的清洁可再生能源载体.掺氢燃料预混稀燃是当前开发清洁高效的低排放燃气轮机最重要的能源转化方式之一.本文基于预混CH4/H2/air本生灯火焰,对氢气掺混影响下的湍流火焰详细火焰结构进行了测量和表征.实验采用CH2O和OH基平面激光诱导荧光(PLIF,Planar Laser Induced Fluor...