航空等离子体点火器的射流特性

为了研究不同工作介质流量对等离子体点火器射流的影响,利用课题组建立的实验测量系统,实验研究了不同工作介质质量流量下等离子体射流点火器的气体击穿和维持电弧过程,并用相机记录了等离子体射流的动态变化过程。实验结果表明:等离子体点火器的工作过程分为3个阶段:击穿阶段、过渡阶段、稳定阶段;击穿阶段中,击穿电压随工作介质质量流量增大而先升高再下降再升高,工作介质质量流量为75.7 g/min和95.4 g/min时,击穿电压分别达到最大值和最小值;稳定阶段中,射流长度和平均电压随工作介质质量流量增大而先增大后减小;电弧分流周期与电压、电流周期几乎一致;电弧间分流周期随工作介质质量流量增大而减小。     

高温电弧等离子体点火器特性实验研究

等离子体点火器可以产生高温等离子体射流来提高点火效率,点火器的特性决定着等离子体点火的效果。笔者利用建立的实验测量系统,测量了不同点火器电极间距和介质气体流量下等离子体点火器的特性,并对实验结果进行了分析。实验结果表明:电极间距要控制在一定范围内防止维持电压过大而使放电变得困难且放电稳定性降低;点火器极间电流随介质流量的增大逐渐变小;点火器射流长度随介质流量的增大先增大后减小。     

直流航空等离子体点火器射流特性分析

为研究航空等离子体点火器的射流特性,对自行设计的直流航空等离子体点火器进行射流特性实验,其中等离子体电源直流输出电压保持24 V不变,以排除电压的影响。采用光谱仪测量了氩气等离子体射流在点火器出口的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,并通过电离平衡方程计算了射流气体温度,测得了点火器出口射流的长度、电子温度和射流温度随弧电流以及体积流量qV的变化规律,为等离子体点火在航空发动机燃烧室中应用奠定技术基础。实验表明:弧电流随着qV的增大而减小;出口射流长度随弧电流的增大而增大,并且随qV的增大而先增大后减小;出口电子温度、射流温度随弧电流的增大而升高,随qV的增大而降低。另外讨论了在航空等离子体电弧射流中是否可以使用电子温度来代替射流气体温度。     

直流电源驱动的等离子体点火器的点火特性

为获得等离子体点火器点火特性,使用自行设计的等离子体点火装置,对不同进口氩气压力和工作电流条件下的等离子体点火器高温射流特性和放电特性进行了实验研究,利用光谱仪对点火器出口处的发射光谱特征进行了测量,并根据光谱特征计算了等离子体的激发温度。结果表明:等离子体点火器的高温射流长度随进口氩气体积流量的增大先增大后减小,随工作电流的增大而增大;等离子体点火器的弧电流随进口氩气体积流量的增大而减小,随电源输出电流增大而增大;等离子体点火器出口射流的激发温度随工作电流的增大而增加,随氩气体积流量的增大而减小,所得结果对等离子体点火系统在航空发动机的实际应用具有一定的指导意义和参考价值。     

空气等离子体射流动态过程分析

等离子体射流可有效提高点火效率,为探究等离子体射流动态特性,建立了实验测量系统,利用高速CCD相机记录等离子体点火射流发展过程,分析了等离子体射流击穿过程和稳定工作过程特性。实验结果表明:设计的等离子体点火器电弧击穿时间为65 ns,击穿电压为9.2 k V,射流形成时间约为1.62 ms;大尺度分流周期约为1.1~1.8 ms,小尺度分流周期约为0.1~0.16 ms;电极温度的均匀度、高速旋流气体对电弧发展以及射流形成过程中的强烈脉动有不同程度的影响;射流核不存在稳定区域。     

内电极直径对大气压氩等离子体射流放电特性的影响

为了研究电极结构对大气压等离子体射流放电特性的影响,通过氩等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量以及发射光谱及发光图像的光学特性的诊断,研究了内电极直径对氩等离子体射流放电特性的影响。实验研究了内电极直径分别为0.5、0.95、1.6 mm时,氩等离子体射流放电的演变规律,并进一步计算得到了放电功率、传输电荷、电子激发温度、分子转动温度和振动温度等,分析了它们随内电极直径变化的规律及机理。结果表明,氩等离子体射流放电可分为电晕放电、DBD以及射流形成3个阶段,这3个阶段可通过测得的电气特性和发光特性进行区分。内电极直径对氩射流特性的影响主要表现在射流阶段:随着电极直径逐渐减小,放电面积增加,放电变强,相应的放电电流脉冲的幅度和激发态粒子数量增加,放电功率和传输电荷也更多。内电极直径越小,分子振动温度、分子转动温度和电子激发温度也越小。分子振动温度和分子转动温度随电压幅值的增加而增大。     

预燃式等离子体射流点火器特性实验研究

常用的电火花点火器对飞机空中点火包线的扩展能力有限,等离子体射流点火器能量大,能显著扩大发动机点火边界,但耗电功率大,射流刚度不足。为提高点火器点火能量,降低所需驱动功率,本文使用甲烷/空气混合气作为放电介质,设计了预燃式等离子体射流点火器,通过实验研究了预燃式等离子体射流点火器的射流特性、放电特性及光谱特性,发现增加甲烷/空气质量流量比R能显著增加射流长度,最大增幅超过160%,增加驱动电流不能有效增加射流长度,但能够产生大量CH、CN等活性粒子,利于加快反应速率,有助于点火。     

直流小电流下不同气体电弧的图像特性分析

电弧图像能够直观的反映出电弧的形貌及运动特性。为了获得不同气体介质中的电弧状态及其影响因素,文中利用可拆可视化小型样机,对直流小电流下不同气体电弧的形貌进行了拍摄和对比,并分析了电弧电压的变化规律。研究表明,随着电弧电流的减小,电弧半径减小,电弧亮度降低;随着腔体充气压力的增大,电弧中心的亮度升高,电弧电压增大;触头开距的增大,使得电弧长度增加,电弧电压升高;CO_2和N_2电弧燃烧较不稳定,N_2电弧射流引起的热气体径向喷射力更强,CO_2电弧受开距的影响更为显著。电弧图像的辅助分析方法,为实验现象的理解提供了参考,同时也为环保型气体电弧特性的研究提供了支撑。     

大气压He中2维射流阵列放电特性的影响因素

为获得大气压大面积射流低温等离子体,在大气压He中产生稳定的2维射流阵列放电,并通过发光图像、电压电流波形、Lissajous图研究其发光特性和电气特性。在此基础上,研究了电极结构、电压幅值、气体体积流量对2维射流阵列放电特性和均匀性以及射流长度、放电功率和传输电荷等关键放电参数的影响。结果表明:针–环和针–环–板结构的射流阵列在一定条件下都能产生均匀、稳定的等离子体射流阵列。电压幅值的增加对放电均匀性影响不大,但能有效提高射流阵列的放电功率和射流长度,从而提高射流阵列放电强度;气体体积流量对放电强度影响较小,但对放电均匀性影响较大,因此增大气体体积流量可以提高放电均匀性;电极结构对放电功率和传输电荷影响较少,在电压幅值、气体体积流量较小的情况下,板电极的引入有助于获得更长的射流。     

外部磁场对直流电弧等离子体放电特性的影响及其机理

通过外部磁场驱动电弧旋转产生相对均匀的等离子体是一种可能的改进等离子体放电特性的有效手段。利用高速摄像技术和虚拟仪器技术,观察并测量了大气条件下、非均匀磁场驱动的直流电弧等离子体阳极弧根运动以及电弧电压波动。结果发现:相比无外部磁场,非均匀外部磁场驱动下的直流电弧等离子体在旋转力和稳弧力的作用下阳极弧根旋转,均匀性提高;其电弧电压波动幅度增大,放电模式发生改变;伏安特性曲线向上平移,电弧等离子体炬放电功率提高。另外,由于等离子体射流的高速运动而引起的等离子体射流在喷口处径向扩张,使等离子体射流横截面扩大,进一步提高了射流的均匀性。从结果中可以看出,外部磁场改善了直流电弧等离子体炬的基本特性,对直流电弧等离子体炬应用效率的提高具有重要的意义。     

大气压Ar/H_2O等离子体射流的放电特性

为促进大气压Ar/H2O等离子体射流放电在材料表面改性、等离子体医学及环境工程等方面的应用,研究了大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式和放电参量。测量了这种射流在不同外加电压下的电气特性、发光特性及光谱特性,并据此计算得到主要放电参量,如放电功率、传输电荷、电子激发温度、分子振动温度以及转动温度等随外加电压的变化规律。结果表明:随着外加电压的增大,大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式可分为电晕放电、介质阻挡放电和射流放电3个阶段,并可通过电压电流波形图和发光图像进行区分。Ar/H2O等离子体射流产生的粒子主要有Ar、OH以及少量的O和N2等。随着外加电压的增大,放电功率、传输电荷及主要粒子(包括OH)的谱线强度都随着外加电压的增大而增大。当外加电压从7 kV增加到9.5 kV时,分子振动温度和转动温度随着外加电压的增大而增大,其变化范围分别为1 000~2 200 K和350~550 K。当外加电压为9.5 kV时,电子激发温度为0.646 eV。     

阴极边界条件对双射流电弧等离子体特性影响的二维数值模拟

在电弧等离子体的数值模拟研究中,阴极表面的温度及电流密度等参数的分布会直接影响到电弧弧柱区的等离子体特性。为了研究不同边界条件对电弧弧柱区等离子体特性的影响规律,采用双温度流体模型,通过给定阴极鞘层外缘不同的电流密度、电子及重粒子温度分布,对双射流直流电弧等离子体弧柱区的特性进行了二维数值模拟研究,并通过与实验测量结果的比较,讨论了不同边界条件的合理性。研究结果表明,在电弧弧电流及发生器几何参数不变的情况下,阴极鞘层外缘重粒子温度边界条件对计算得到的电弧弧柱区等离子体特性的影响可以忽略不计,电流密度对弧柱区等离子体流动特性有显著影响,而电子温度边界条件则对弧柱区电弧形貌及传热与流动特性均有显著的影响。     

大气压放电氦气等离子体射流特性

为研究大气压下不同氦气等离子体射流结构的电特性及其射流影响因素,对外表面双电极、针-环电极、单电极结构下的大气压放电氦气等离子体射流特性进行了实验分析。分别观测、对比了不同实验条件,如电极位置、电极尺寸、外加电压和气体体积流量等,对等离子体射流的影响。结果表明:外表面双电极和针-环电极结构均可实现稳定的多脉冲放电;处于层流状态时,3种结构下等离子体射流长度均随着电压的升高而变长;当针-环电极结构的接地电极远离喷口,或是单电极结构的高压电极远离喷口时,射流长度均会缩短;外表面双电极和单电极结构中,高压电极宽度的增大会使射流长度变长,但针-环结构中电极宽度增大反而会导致射流长度缩短;针-环电极结构的伏安曲线、功率特性曲线均比外表面双电极结构的对应曲线"陡",且针-环电极结构的放电功率相对较高。     

介质阻挡放电等离子体射流装置的实验研究

基于介质阻挡放电的形式,设计并制作了两种等离子体射流装置:一种内电极裸露;另一种内电极覆盖有石英玻璃。笔者对两种不同电极等离子体射流装置的特性进行了测量。在中频正弦电源通入Ar的情况下,测量了放电的李萨如(Lissajous)图、放电的图像和放电的光谱图;并且分别由放电的Lissajous图和光谱图,计算得到了放电的功率和电子激发温度。实验结果表明:在外施电压保持不变的情况下,气流对于放电的功率和电子的温度几乎没有影响;通过对比两种射流装置的电学和光学特性发现,与内电极覆盖有石英玻璃的等离子体射流装置相比,内电极裸露的情况下,其放电的功率和电子激发温度均比较大。     

电极材料和直径对真空电弧电压和阳极活动影响的实验研究

电极间的燃弧过程能够反映真空开关的开断特性及机制,采用实验手段分析和研究了不同电极直径和材料下真空电弧中的电极过程。在可拆卸真空灭弧室中,分别对直径为41、58 mm的纯铜和CuCr30的杯状纵向磁场电极进行了间距10 mm的大电流(有效值为10、12.5、15及17.5 kA)燃弧实验,用高速摄影仪拍摄电极间的电弧形态和阳极活动,并测量了电弧电压波形。以实验测量为基础,分析研究了真空电弧在不同电极直径以及铜和CuCr30材料下的电弧电压特性、阳极活动特性。实验结果表明:电极直径和材料与真空开关的开断性能有着密切的关系;随着电极间直径增大,电弧电压减小,电弧稳定、扩散态好,阳极斑点形成的电流阀值高,电极的开断能力较大。     

基于Laval喷管的滑动电弧放电等离子体发生器及其工作特性分析

为了研究产生于Laval喷管中的一种新型滑动电弧放电的物理特性,研究了不同流量工作气体(空气)条件下产生的等离子体电弧的伏安特性,并利用高速摄影仪对此种新型等离子体的滑动电弧发展过程进行了跟踪,记录了滑动电弧等离子体击穿—延长—电弧最大—熄灭的循环过程。结果表明:随着工作气体流量的增加,电极电压波形出现突变的频率越来越高;电流波形随着气体流量的增加除了击穿时突变点增多外大致形状不变,近似于正弦波形,且最大值都为0.4A;半周期内的平均电压在629～1 347V范围内变化。分析得出,流量变化对这种滑动电弧放电的伏安特性,特别是电压特性存在剧烈影响,这一点也可以从高速摄影所得图像中看出。     

μs脉冲等离子体气动激励特性的实验研究

等离子体气动激励特性的测试诊断是揭示等离子体流动控制物理作用机制的重要基础。为此,主要在常规大气环境条件下,对μs脉冲等离子体气动激励特性进行电、光谱和流动特性的综合测试诊断实验研究。实验结果表明:μs脉冲放电的本质是丝状放电,在一个周期内,放电集中在正电压脉冲和负电压脉冲的上升沿;随着激励电压幅值增大,发射光谱强度增大,但表征电子温度和密度的典型谱线比变化不大;在放电的起始阶段,等离子体气动激励诱导了启动涡,启动涡随后发展成近壁面射流;激励电压和脉冲重复频率越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;μs脉冲等离子体气动激励为非定常激励,消耗的功率比激励电压波形为连续正弦波时减小约30%,对于等离子体流动控制研究更为有益。     

等离子体射流点火器点火特性的实验研究

为获得直流电弧等离子体射流点火器的点火特性,在实验燃烧段中进行了丙烷/空气混合气的点火实验,并与常规电火花点火器进行了对比。研究了2种点火方式下可燃混合气的点火过程,燃烧温度随时间的变化,点火延迟时间随可燃混合气余气系数的变化。实验结果表明:等离子体射流点火时,可燃混合气的燃烧温度上升速率大于电火花点火的,但2种点火方式下的稳定燃烧温度均为1 053K;等离子体射流点火延迟时间小于电火花点火的。     

进口参数对等离子体点火过程影响的数值模拟

为了研究进口参数对等离子体点火过程的影响规律,建立了燃烧室等离子体点火的数值计算模型,对燃烧室内等离子体点火时的化学反应和流场进行了数值模拟。进而分析了等离子体点火器喷出的射流速度、射流温度和混合气的进口速度等进口参数的变化对燃烧室等离子体点火过程的影响规律。结果表明:在等离子体点火器喷出的高温射流进入燃烧室后,燃烧区域向上游的扩展程度远大于向下游的扩展程度,首先在上游形成稳定燃烧;等离子体射流速度对点火延迟时间的影响相对较小,但可以增强等离子体射流的穿透能力;混合气的点火延迟时间随射流温度的升高而减小,随混合气进口速度的增大而增长。     

大气压交流滑动弧的放电特性

为研究不同射流体积流量和放电电压下滑动弧放电的电信号特征和电弧运动规律,对3种不同几何结构的电极进行了大气压交流滑动弧放电的电信号测量和图像拍摄。结果表明:滑动弧放电过程中存在两种滑动模式,即稳定电弧滑动(A-G)和击穿伴随滑动(B-G);两者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受来流体积流量、放电电压、电极结构的影响;流场环境对电弧的形态及发展过程影响显著,随着射流体积流量的减小,滑动弧放电向A-G模式发展,体积流量越小,电弧滑动范围越大,周期也越大;对A型电极,当体积流量小于33.3 L/min后,A-G模式放电占比超过66%。