纳秒脉冲激光诱导等离子体助燃实验研究

摘要

激光诱导等离子体助燃(laser induced plasma assisted combustion)是实现贫燃燃烧系统和超音速及高超音速飞行器发动机系统燃烧稳定的一种新型助燃方法,具有等离子体作用区域可控、无电极、非介入、无电磁干扰等优势。本文针对现有的飞秒激光器体型庞大操作复杂从而制约其工程应用等问题，开展了甲烷/空气混合燃气纳秒脉冲激光诱导等离子体助燃的实验研究。
　　本文首先介绍了放电等离子体和激光诱导等离子体助燃方法和机理的发展现状，分析了研究中存在的不足，提出了研究内容和拟解决的关键问题。然后，从火焰传播动力学、燃烧化学反应动力学基本理论出发分析了激光诱导等离子体助燃方法的可行性，并给出了吹熄极限与激光参量之间的函数关系。同时，分析了火焰稳定和火焰结构理论，在此基础上，设计了纳秒脉冲激光诱导等离子体助燃实验装置。
　　其次，研究了CH4/O2/N2激光直接击穿燃气诱导等离子体助燃特性，获得了不同当量比、气流速度、激光重频等参数下的稳定火焰的形态结构，在脉冲能量30mJ，重频50Hz条件下，在无激光作用时无法形成稳定火焰的当量比范围内实现稳燃，并将预混燃气的吹熄极限相比于无激光作用时提高了124.5％以上。通过研究助燃过程中的火核发展过程，得到了不同当量比、气流速度及激光重频下初始火核传播速度的时间演化规律，进而对初始火核发展为上下两火核的过程进行研究，得到两火核的时间演化规律，为实现助燃并提高助燃效果提供依据。
　　最后，为降低助燃对激光脉冲能量的要求，使助燃方法更适合于工业应用，提出了激光诱导金属靶等离子体助燃方法，研究了稳定火焰形态结构、火核发展过程及初始火核的时间演化特性随当量比、气流速度及激光重频的变化规律。应用此方法，在激光脉冲能量10mJ、重频50Hz的激光作用下，将混合燃气吹熄极限相比于无激光作用时提高了185.7%以上，激光脉冲能量相比于直接击穿燃气诱导等离子体助燃由30mJ下降至10mJ。
　　本文的研究成果对于完善激光诱导等离子体助燃的理论及特征参数、促进激光诱导等离子体助燃方法的工程应用具有重要的科学意义和应用价值。

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目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2等离子体助燃简述

1.3国内外研究进展

1.4本文的主要研究内容

第2章 激光诱导等离子体助燃理论基础

2.1引言

2.2激光诱导等离子体助燃理论分析

2.3火焰传播及火焰结构理论分析

2.4本章小结

第3章 激光直接诱导等离子体助燃实验研究

3.1引言

3.2实验系统

3.3激光等离子体助燃的现象学分析

3.4激光等离子体助燃火核发展动力学过程

3.5激光等离子体助燃初始火核的时空演化特性

3.6本章小结

第4章 激光诱导金属靶等离子体助燃实验研究

4.1引言

4.2金属靶等离子体助燃的现象学分析

4.3金属靶等离子体的时空演化

4.4金属靶等离子体助燃火核发展动力学过程

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间申请的发明专利

声明

致谢