微波放電等離子體在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

微波放電等離子體在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

0微波放電點(diǎn)火技術(shù)的研究現(xiàn)狀根據(jù)19世紀(jì)觀察到的物理現(xiàn)象，即燒毀時(shí)的物理現(xiàn)象可能會(huì)影響蠟燭的火焰流動(dòng)。目前,PAC最成熟的應(yīng)用就是點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定。有關(guān)等離子體增強(qiáng)燃燒的應(yīng)用研究主要包括:(1)點(diǎn)火器;(2)火焰維持;(3)燃料噴嘴;(4)渦流燃燒器;(5)燃料重組與汽化;(6)廢氣處理等。近年來(lái),新一代等離子體點(diǎn)火器相繼涌現(xiàn)。與傳統(tǒng)火花塞相比,新型點(diǎn)火器擁有更大的等離子體體積及點(diǎn)火速度,進(jìn)而更有利于點(diǎn)火。在過(guò)去20余年中,等離子體點(diǎn)火研究主要集中在使用短脈沖放電。如StarikovskaiaSM、AleksandrovNL、KosarevIN等都各自通過(guò)相應(yīng)的高壓納秒脈沖放電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),對(duì)等離子體點(diǎn)火機(jī)理進(jìn)行了研究和總結(jié)［1－3］;LeonovSB等在實(shí)驗(yàn)條件為Ma=2、放電功率大于1kW時(shí),實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)直流周期脈沖放電點(diǎn)火［4－6］;WangF等研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了將脈沖電暈放電用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火的新技術(shù)等［7］。微波放電等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)是一項(xiàng)國(guó)際上新興的研究課題方向,其作為一種被用于點(diǎn)火助燃的非平衡等離子體具有諸多優(yōu)勢(shì):(1)放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)需復(fù)雜的磁場(chǎng)約束;(2)無(wú)需電極,不僅有助于產(chǎn)生高純度等離子體,還可延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命;(3)可在高速氣流中維持穩(wěn)定放電,且活性自由基生成效率高,還可通過(guò)合理設(shè)計(jì)在指定區(qū)域放電;(4)在大氣壓或更高氣壓下,可得到均勻的等離子體放電等。其主要發(fā)展現(xiàn)狀正處于理論性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)階段,盡管其機(jī)制復(fù)雜,研究具有挑戰(zhàn)性,距實(shí)際工程應(yīng)用仍需不斷探索,卻仍吸引了國(guó)際上越來(lái)越多的資深學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究工作。目前,對(duì)該方向已有一些研究成果,從發(fā)表論文情況來(lái)看均為國(guó)外單位,如EsakovII等對(duì)亞臨界微波流光放電用于噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)展研究工作,并實(shí)現(xiàn)了燃料混合物在低氣壓、低功率及超音速條件下的成功點(diǎn)火［8－10］;XingRao等近年應(yīng)用其自行研制的同軸凹腔裝置,實(shí)現(xiàn)了大氣壓下微波放電點(diǎn)火［11－12］。國(guó)內(nèi)的研究工作才剛剛起步,本文首先總結(jié)了國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀,可為國(guó)內(nèi)相關(guān)單位和學(xué)者提供可借鑒的重要資料,同時(shí)也借此文吸引更多國(guó)內(nèi)學(xué)者共同投入到該項(xiàng)研究中;其次,根據(jù)已有研究基礎(chǔ),提出了國(guó)內(nèi)微波放電等離子體在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火與助燃領(lǐng)域的研究方向和發(fā)展思路。1氣體及放電腔微波放電等離子體發(fā)生系統(tǒng)作為一種新型點(diǎn)火助燃方式,其系統(tǒng)組成主要包括微波能量輸入系統(tǒng)、微波傳輸系統(tǒng)、調(diào)諧監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)、工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)及放電腔系統(tǒng)。其中,工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)中原理實(shí)驗(yàn)通常使用的氣體主要包括空氣、氬氣、氦氣、氮?dú)?、甲?空氣、乙烯/空氣等,也可根據(jù)實(shí)際使用條件的不同,選用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)氣體。放電腔是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到微波放電的形態(tài)特點(diǎn),以及產(chǎn)生的等離子體是否適用于點(diǎn)火與助燃等關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)各國(guó)專家學(xué)者對(duì)其多年來(lái)的探索研究,微波放電等離子體可用于點(diǎn)火與助燃的關(guān)鍵因素,可歸納為達(dá)到一定功率的微波將氣體擊穿后,產(chǎn)生大量非熱平衡等離子體,其中包含的大量高能電子與各類活性基團(tuán)通過(guò)碰撞作用使分子裂解,產(chǎn)生額外的活化原子團(tuán)和自由基,由此引起一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而促進(jìn)了快速點(diǎn)火,并增強(qiáng)燃燒。2獨(dú)特實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)美國(guó)與俄羅斯兩國(guó)在微波放電等離子體點(diǎn)火與助燃的研究工作中起步較早,成果較突出,一些知名學(xué)者的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)可供借鑒。本文系統(tǒng)闡述了近期主要研究進(jìn)展,概括了各典型實(shí)驗(yàn)的原理及過(guò)程,為今后進(jìn)一步的研究探索提供了一定的參考和依據(jù)。2.1新型同步凹腔裝置2010年,美國(guó)密歇根州立大學(xué)研發(fā)了一種新型的同軸凹腔裝置系統(tǒng),以甲烷/氧氣為工質(zhì)氣體,對(duì)直接耦合微波等離子體輔助燃燒開(kāi)展了一系列研究工作。2.1.1微波輔助燃燒甲烷/1圖1為該種獨(dú)特的反應(yīng)腔結(jié)構(gòu),(a)為系統(tǒng)實(shí)物圖以及甲烷/氧氣火焰圖(小圖為甲烷/氧氣火焰圖);(b)為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。反應(yīng)腔由黃銅材料制作,腔室直徑約為35mm,長(zhǎng)度約為30mm,主要組件包括黃銅氣體管燃燒室、可調(diào)基板和單極環(huán)形天線等。頻率為2.45GHz的微波能量通過(guò)同軸電纜傳輸,應(yīng)用單極環(huán)形天線發(fā)射,如圖1(b)所示。通過(guò)調(diào)整火炬、天線和基板的相對(duì)位置,獲得最優(yōu)的諧振模式。分別在甲烷/氧氣2種當(dāng)量比(0.9和1.1)以及2種氣流速度(60sccm和100sccm)條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn),采用平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF),對(duì)反應(yīng)區(qū)域的OH自由基實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)激發(fā)態(tài)粒子,由OH光譜測(cè)量推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該種新型微波同軸凹腔裝置放電系統(tǒng),可成功用于甲烷/氧氣混合火焰的輔助燃燒。根據(jù)微波輸入功率的不同,如圖2所示,可將放電過(guò)程分為明顯的3個(gè)階段,分別為“電場(chǎng)階段”、“過(guò)渡階段”和“全等離子體階段”［11］。2.1.2弱放電和等離子體自發(fā)放電并存,導(dǎo)致再燃2011年,XingRao等對(duì)等離子體自持條件下的再點(diǎn)火問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論中得出,在“引燃火焰”熄滅的情況下,等離子體自持放電的條件為直接耦合的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程已完全發(fā)展為弱電離放電階段,并已有過(guò)剩能量進(jìn)入系統(tǒng)。如果微波功率低于10W,或者在低溫、低電離度、小電離體積、低電場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)條件下,都不能維持等離子體放電。為使再燃發(fā)生,電場(chǎng)強(qiáng)度必須達(dá)到一定程度,足以完全確保達(dá)到弱電離和等離子體自持放電,并伴隨著自由基濃度的升高。此時(shí),若氣體流速比一般火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?也可發(fā)生再燃［12］。2.2俄羅斯的發(fā)展2.2.1微波放電引發(fā)放電2004年,俄羅斯EsakovI等應(yīng)用一套獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)裝置,在超高聲速流中,以丙烷為工質(zhì)氣體,實(shí)現(xiàn)了深度亞臨界微波放電中的丙烷點(diǎn)火和燃燒。圖3為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,引發(fā)放電的金屬啟動(dòng)器(Vibrator)被水平放置在空氣流中,在金屬啟動(dòng)器的尖端電場(chǎng)明顯增強(qiáng),有利于穩(wěn)定放電,氣流方向?yàn)橛勺笙蛴?氣流速度逐漸增加到超聲速,丙烷通過(guò)啟動(dòng)器底座處的小孔進(jìn)入放電區(qū)［8］。2005年,EsakovI等在先前實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析得出:11%的電磁波能量被用于實(shí)驗(yàn)條件下放電中的空氣加熱,9%~63%的丙烷燃燒取決于實(shí)驗(yàn)條件。放電區(qū)域貼近啟動(dòng)器,且燃燒炬呈現(xiàn)一般藍(lán)色,燃燒區(qū)域(沿著氣流方向)的長(zhǎng)度隨著速度增加而減小［9］。2006年,EsakovI等通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置部分參數(shù)的優(yōu)化,包括引發(fā)放電的關(guān)鍵器件啟動(dòng)器的尺寸和形狀參數(shù)優(yōu)化,并制定了兩套實(shí)驗(yàn)方案:方案一是將預(yù)混合的丙烷-空氣混合氣體通過(guò)啟動(dòng)器輸送,并在啟動(dòng)器出口處點(diǎn)火;方案二是通過(guò)啟動(dòng)器鼻口處的小孔預(yù)先通入空氣,丙烷從啟動(dòng)器底盤處輸送,二者混合后,同樣由微波放電點(diǎn)火。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,后者為更有前景的設(shè)計(jì)方案,且發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)器底盤處使用介質(zhì)“燃燒室”時(shí),燃燒程度會(huì)大幅度增加［10］。2.2.2亞臨界微波氣流放電2009年,AleksandrovKV等研發(fā)了一種新型反渦流燃燒室,這種設(shè)計(jì)融合了兩種創(chuàng)新技術(shù),包括用于點(diǎn)火的引發(fā)流光微波放電技術(shù)和反渦流燃燒室內(nèi)的火焰控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了發(fā)生在反渦流燃燒室底盤處的亞臨界流光(絲狀)微波放電,可被用于燃料/空氣混合物的點(diǎn)火。圖4為該新型燃燒室的實(shí)物照片,其中輻射矩形喇叭的孔徑為90mm×72mm;放電室由石英管構(gòu)成,內(nèi)徑為73mm,壁厚為2mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,在不同實(shí)驗(yàn)條件下,產(chǎn)生不同的放電形式。其中,當(dāng)P=3×105W、E=2.5kV/cm時(shí),產(chǎn)生亞臨界微波流光放電(SSD);當(dāng)P=5×104W、E=1kV/cm時(shí),產(chǎn)生深度亞臨界微波流光放電(DSSD)。由圖5可看出,2種放電形式各有不同,亞臨界流光放電充滿整個(gè)腔室空間,放電呈輻射狀;深度亞臨界流光放電幾乎只在啟動(dòng)器附近。初步認(rèn)為,2種放電的點(diǎn)火模式有所不同,放電過(guò)程中伴有化學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng),何種放電形式更具優(yōu)勢(shì),還需進(jìn)一步深入研究［13］。2.2.3微波等離子體火炬2011年,LavrovBP等研發(fā)了一種新型的同樣可用于點(diǎn)火的大氣壓反渦流微波等離子體炬。其中,反渦流等離子體發(fā)生器的獨(dú)特之處在于放電腔室內(nèi)部沒(méi)有任何介質(zhì)或陶瓷管,更有利于生成無(wú)污染的等離子體,且有望實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)壽命。圖6為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片［14］。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)率先支持并開(kāi)展了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)表面波局域增強(qiáng)流注放電點(diǎn)火助燃的機(jī)理研究,聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位關(guān)于微波放電等離子體點(diǎn)火助燃在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用領(lǐng)域正逐步開(kāi)展一系列的研究工作。已有研究結(jié)果表明,以氬氣為工質(zhì)氣體,在石英管內(nèi)適當(dāng)放置銅絲,可應(yīng)用表面等離子激元諧振激發(fā)產(chǎn)生微波等離子體射流。當(dāng)輸入功率上升至20W時(shí),在石英管內(nèi)銅絲末端立即出現(xiàn)幾個(gè)放電分支［15］。實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)改變放電條件,獲得了等離子體的參數(shù)分布。測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,加熱層附近的等離子體是由表面等離子激元的表面波激發(fā)所致,而下游的等離子體源于擴(kuò)散效應(yīng)。此外,表面等離子激元高頻振蕩的影響是導(dǎo)致加熱層附近等離子體呈雙麥克斯韋分布的主要原因。該結(jié)果對(duì)表面波等離子體源的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)［16］。數(shù)值模擬了微波等離子體和電磁場(chǎng)分布的細(xì)節(jié),結(jié)果表明,表面等離子激元的增強(qiáng)電場(chǎng)激發(fā)了種子等離子體,其與等離子體的相互作用是產(chǎn)生該種射流形態(tài)的主要原因［17］。目前,正陸續(xù)開(kāi)展如下工作:(1)研究高氣壓、高流速空氣微波流注表面波放電的電離機(jī)制,建立放電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?進(jìn)行理論分析,構(gòu)建放電實(shí)驗(yàn),跟蹤探測(cè)電子崩的放電發(fā)展軌跡,揭示空氣微波流注表面波放電的電離機(jī)制。(2)基于脈沖火花放電和封閉部分惰性氣體電暈放電產(chǎn)生的大量種子電子和紫外線,可顯著降低微波流注表面波放電的起始放電入射功率,實(shí)現(xiàn)脈沖火花連鎖微波流注表面波放電,深入研究其電離機(jī)制。(3)采用不同燃?xì)猱?dāng)量比、不同流速下,研究脈沖火花連鎖微波流注表面波放電點(diǎn)燃燃?xì)饣旌衔锏狞c(diǎn)火過(guò)程及燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化特性;在燃燒階段,分析微波放電增強(qiáng)燃燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)情況及影響規(guī)律。(4)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立脈沖火花連鎖微波流注表面波放電點(diǎn)燃燃?xì)饣旌衔锏某紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī),達(dá)到點(diǎn)火增強(qiáng)燃燒的原理驗(yàn)證。3亞臨界微波放電微波放電點(diǎn)火的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要實(shí)現(xiàn)等離子體放電點(diǎn)火發(fā)生在預(yù)期的指定區(qū)域［8］。根據(jù)放電裝置的不同,其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案也不同。根據(jù)微波放電原理,一般放電腔的外形尺寸以及幾何構(gòu)型主要根據(jù)兩點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì):一是將微波能量耦合到火焰反應(yīng)區(qū)域;二是根據(jù)電場(chǎng)傳播的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化?？赏ㄟ^(guò)使用COMSOLMultiPhysics等商業(yè)軟件中的RF電磁求解模塊,或編制程序求解麥克斯韋方程,以獲得微波發(fā)生器內(nèi)的二維電場(chǎng)分布規(guī)律,不斷優(yōu)化使電場(chǎng)在火炬末端和指定區(qū)域電場(chǎng)最強(qiáng),高效地聚焦微波能量。EsakovI等在超聲速來(lái)流條件下實(shí)現(xiàn)深度亞臨界微波放電的實(shí)驗(yàn)中,其關(guān)鍵技術(shù)主要是用于改變電場(chǎng)分布和引發(fā)放電的核心部件啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)。這種啟動(dòng)器要確保放電只在其尾部末端發(fā)生,并將丙烷輸送至指定的放電區(qū)域。按照這種特定的放電要求,將啟動(dòng)器制成前端較厚,以防止放電在該部位發(fā)生,尾端制成尖銳形狀,以促進(jìn)引發(fā)放電。啟動(dòng)器被固定在一個(gè)與自身中心垂直的金屬桿上,金屬桿被固定在一個(gè)由金屬屏制成的導(dǎo)電板上,啟動(dòng)器與金屬屏的距離為λ/4,這樣的設(shè)計(jì)可使啟動(dòng)器位于駐波電場(chǎng)最大振幅處,有利于氣體在較低的發(fā)生功率下被擊穿［8］。AleksandrovKV等研發(fā)的反渦流燃燒室在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)放電模式起關(guān)鍵影響的同樣是啟動(dòng)器的作用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),當(dāng)啟動(dòng)器被放置在燃燒室內(nèi)表面附近時(shí),引發(fā)的是一種類似表面波的放電模式,而當(dāng)啟動(dòng)器位于腔室中軸時(shí),在不同功率下引發(fā)了2種不同放電模式:一種是幾乎充滿整個(gè)腔室的亞臨界流光放電;另一種是幾乎只附著在啟動(dòng)器附近的深度亞臨界流光放電［13］。4微波放電系統(tǒng)微波放電是一種先進(jìn)的等離子體點(diǎn)火助燃方式,與其他方式相比,擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微