非平衡态等离子体与气相爆燃特性研究

摘要

磁流体发电作为一种高效、低污染的新型发电方式一直都是世界研究的热点，2009年东南大学提出以连续的非平衡态等离子体爆轰的方式代替传统的燃烧方式和爆炸来产生磁流体的设想，并经过大量的实验和理论分析，取得较大的成果和突破。由于爆轰波具有高速、超薄、不稳定等特点，使得爆轰波的利用具有很大的困难。为了找到一个适合于磁流体发电技术且易于利用的非平衡态等离子体燃烧波，各种燃烧方式的特性的研究具有重大的实际意义。
　　 本文以液化石油气为燃料分别进行了脉动燃烧、稀薄燃烧、低速爆燃、超音速燃烧的实验。利用高速录影机以及红外录影机分别对四种燃烧方式的流场和温度场进行记录和分析，得出四种燃烧方式的速度和温度特性。对C-J速度、爆燃的燃烧热系数及爆燃终态比体积进行了计算分析，为今后究竟选择何种方式对磁流体发电具有最佳效果奠定基础。
　　 第一章是本文的绪论部分。针对爆轰磁流体发电原理提出了爆轰波难以利用并应找到一种更适合且易于利用的燃烧波的构想。对与课题相关的研究工作进行了综述，介绍了本文的研究内容及章节安排。
　　 第二章是本文的脉动燃烧和低速爆燃试验研究部分，对两者的速度特性和温度特性进行分析。研究发现影响两者燃烧方式发生的两大因素分别为燃空当量比和气流速度。当燃空当量比在2.06及以上，空气流量在1000L/h与1750L/h之间时，发生脉动燃烧反应。当燃空当量比降低至1.8以下，空气流量1500L/h与2000L/h之间时，发生低速爆燃反应。脉动燃烧火焰传播速度大概为2m/s至10m/s，其速度与燃空当量比成反比例关系，与气流速度成正比例关系。采取温度分层的方法分析温度特性，温度从高到低共分为四层。脉动燃烧的火焰温度较高，最高温度层无量纲面积在0.3至0.8之间，并随气流速度增大而下降，随燃空当量比而升高。低速爆燃速度大概为20m/s至80m/s，爆燃频率为1Hz到3Hz之间。爆燃速度与燃空当量比成二次函数关系，呈正态分布，且最高速度均发生在ψ=1.1到ψ=1.3工况之间，爆燃速度与气流速度成正比例关系。爆燃反应的温度较低，最高温度层无量纲而积在0.08至0.1之间，与燃空当量比成二次函数关系，其分布状态呈正态分布，且均发生在ψ=1.2工况下。随气流速度增大最高温度层面积增大，反之减小。
　　 第三章是本文的稀薄燃烧和超音速燃烧的试验研究部分，对两者的速度特性和温度特性进行了分析。稀薄燃烧的空气流量在21.6m3/h至38.9m3/h之间，燃空当量比在0.5至1之间，电压在210V至250V之间。稀薄燃烧的火焰传播速度介于10m/s到32m/s之间，介于脉动燃烧和低速爆燃之间。影响稀薄燃烧的火焰传播速度的大小有三个因素：气流速度、燃空当量比以及电压。三者中任何一者增大都导致使速度增大，其中影响因子最大的一个因素是气流速度，其次是燃空当量比。稀薄燃烧火焰的高温层面积较小，最高温层占总温层面积的10％至30％，其值介于脉动燃烧和低速爆燃之间。影响稀薄燃烧温度的因素为电压和燃空当量比。两者中任何一者增大都会导致温度升高，其中燃空当量比的影响因子比电压的影响因子更大。当空气流最达到54m3/h时，发生超音速燃烧反应，试验分析结果表明，随着电压增大，燃烧速度也有较小量的增大。对稀薄燃烧烟气成份进行了分析，结果表明稀薄燃烧烟气NOx浓度较低，低温等离子体助燃有利于降低NOx的浓度。
　　 第四章是爆燃理论计算部分。利用C-J理论对C-J速度及爆燃的燃烧热系数进行计算，计算结果表明石油液化气的C-J波速度为1759.36m/s，计算误差为4.2％。低速爆燃反应的燃烧热大约为103J/kg，燃烧热随燃空当量比的曲线关系跟爆燃波速度随燃空当量比的曲线关系一致。低速爆燃的燃烧热系数大概为10-4，其值随燃空当量比的曲线关系与燃烧热随燃空当量比的关系式一致。超音速燃烧热大约为105J/kg，与之相对应的燃烧热系数大概为0.034～0.036之间，随着电压的升高，燃烧热及其系数均增大。运用爆燃理论对低速爆燃和超音速燃烧的终态比体积进行了计算。结果表明超音速燃烧的终态比体积比低速爆燃要小很多，超音速燃烧的Rayleigh线的斜率较大，Rayleigh线与Hugoniot线的交点即最终状态点要更靠近爆震区。利用等离子体点火的超音速燃烧比低速爆燃更容易达到高速度的爆燃，也更容易从爆燃转至爆轰。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本课题的研究背景

1.1.1 能源与环境

1.1.2 磁流体发电技术

1.2 脉动燃烧及其研究现状

1.3 爆燃及其研究现状

1.4 非平衡态等离子体及其点火技术

1.5 稀薄燃烧及其研究现状

1.6 超音速燃烧及其研究现状

1.7 研究意义

1.8 研究内容及方法

1.9 章节安排

第二章 脉动燃烧及低速爆燃特性实验研究

2.1 脉动燃烧实验

2.1.1 实验装置

2.1.2 实验器材

2.1.3 实验步骤

2.2 脉动燃烧实验结果及分析

2.2.1 一维速度分析

2.2.2 无量纲温度分析

2.3 低速爆燃实验

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验步骤

2.4 爆燃实验结果与分析

2.4.1 一维速度分析

2.4.2 无量纲温度分析

2.5 本章小结

第三章 非平衡态等离子体稀薄燃烧及超声速燃烧特性试验研究

3.1 实验装置

3.1.1 实验管路系统

3.1.2 等离子体发生系统及实验测量系统

3.2 实验器材

3.3 实验步骤

3.4 实验结果及分析

3.4.1 稀薄燃烧一维速度分析

3.4.2 稀薄燃烧无量纲温度分析

3.4.3 超声速燃烧一维速度分析

3.4.4 稀薄燃烧烟气成份分析

3.5 本章小结

第四章 爆燃理论及计算

4.1 引言

4.2 燃烧波基本理论

4.2.1 Rayleigh关系式

4.2.2 Hugoniot关系式

4.2.3 C-J理论

4.3 爆燃计算

4.3.1 C-J波速度计算

4.3.2 爆燃的燃烧热系数计算

4.3.3 爆燃终态比体积计算

4.4 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在硕士期间发表的论文目录