介质阻挡放电非平衡等离子体辅助甲烷离解与氧化的实验研究

摘要

非平衡等离子体特殊的理化特性在相关领域内都有应用及研究。燃烧效率一直是发动机等动力机械重点关注问题。而影响燃烧效率的主因便是燃烧的不充分，这主要由于反应过程中反应能量的不平衡进而影响化学反应过程，并最终影响了燃料的点火和最终燃烧过程。在等离子体助燃体系中，点火延迟时间的降低与稳定燃烧、实现低温条件下燃料的燃烧和点火等均是重点研究过程并取得了相关研究成果，这对于改善燃料燃烧效率具有重要意义。等离子体对燃料的离解和氧化阶段中燃料化学反应过程具有重要影响，此阶段产生的活性基团及组分对后期的点火和燃烧起到了重要作用。因此本文主要通过实验方法对此阶段进行研究和分析。
　　本文主要对介质阻挡放电下的非平衡等离子体辅助CH4（甲烷）离解和氧化过程进行分析。通过NSD纳秒脉冲介质阻挡放电，交流介质阻挡放电两种不同放电形式对非平衡等离子体特性进行分析同时对燃料离解氧化过程进行研究。研究的相关内容如下:
　　(1)NSD纳秒脉冲介质阻挡放电的实验研究主要对NSD纳秒脉冲的电学参数以及实验气压对放电特性、温度、产物浓度的影响进行了分析。并通过实验研究可知不同电学参数的调节其本质是对脉冲能量在时间维度上的调节。通过对能量路径的分析得出能量耗散较少，脉冲能量直接改变着反应区非平衡等离子体特性以及放电产物的浓度变化的结论。
　　(2)交流介质阻挡放电的实验研究主要从输入功率、放电频率、放电功率等角度来分析其对放电特性、温度、产物浓度的影响。同时分析了交流放电能量效率以及能量路径，得出超过50％的能量未能有效利用于非平衡等离子体辅助CH4离解和氧化过程的结论。
　　(3)两种不同放电形式的对比分析主要从不同燃空当量比下的放电特性、温度、产物浓度等角度进行展开，通过对比发现，NSD纳秒脉冲放电主要从较小时间尺度对放电过程进行作用其动力学效应显著，而交流放电则更多从较大时间尺度对放电过程进行作用其热效应明显。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 等离子体助燃的基本理论及应用

1．2．2 非平衡等离子体助燃的研究进展

1．2．3 非平衡等离子体放电方式的研究进展

1．3 国内外研究进展小结

1．4 本文研究目标和研究内容

2 实验系统及研究方法

2．1 实验系统

2．2 实验研究方法

2．2．1 李萨如图形电学研究方法

2．2．2 气相色谱法测量组分浓度

2．3 本章小节

3 纳秒脉冲介质阻挡放电辅助甲烷离解氧化的实验研究

3．1 纳秒脉冲电压对甲烷离解氧化的影响

3．1．1 纳秒脉冲电压对放电特性的影响

3．1．2 纳秒脉冲电压的变化对温度的影响

3．1．3 纳秒脉冲电压的变化对产物浓度的影响

3．2 纳秒脉冲宽度对甲烷离解氧化的影响

3．2．1 纳秒脉冲宽度对放电特性的影响

3．2．2 纳秒脉冲宽度对温度的影响

3．2．3 纳秒脉冲宽度对产物浓度的影响

3．3 纳秒脉冲频率对甲烷离解氧化的影响

3．3．1 纳秒脉冲频率对放电特性的影响

3．3．2 纳秒脉冲频率的变化对温度的影响

3．3．3 纳秒脉冲频率的变化对产物浓度的影响

3．4 实验气压对甲烷离解氧化的影响

3．4．1 不同实验气压下温度的变化

3．4．2 不同实验气压下电学特性的变化

3．4．3 不同实验气压下产物浓度的变化

3．5 纳秒脉冲放电能量路径分析

3．6 本章小节

4 交流介质阻挡放电辅助甲烷离解氧化的实验研究

4．1 交流电学参数的实验分析

4．1．1 交流电学参数对放电特性的影响

4．1．2 交流电学参数对反应区温度的影响

4．1．3 交流电学参数对产物浓度的影响

4．2 交流介质阻挡放电能量效率的分析

4．2．1 实验气压对能量效率的影响

4．2．2 放电频率对能量效率的影响

4．3 交流介质阻挡放电中能量路径的分析

4．4 本章小节

5 纳秒脉冲放电与交流放电的对比分析

5．1 纳秒脉冲放电与交流放电电学特性对比分析

5．2 纳秒脉冲放电与交流放电温度特性对比分析

5．3 纳秒脉冲放电和交流放电下产物浓度的对比分析

5．4 本章小节

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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