空军工程大学：等离子体点火助燃研究进展与展望（讲稿，航空航天工程学院：吴云）

动 第一届全国青年燃烧学术会议，上海，2015.9.18-20 P 等离子体点火助燃 研究进展与展望 吴云 空军工程大学航空航天工程学院 航空等离子体动力学国家级重点实验室 1

等离子体点火助燃 研究进展与展望 吴 云 空军工程大学航空航天工程学院 航空等离子体动力学国家级重点实验室 第一届全国青年燃烧学术会议，上海，2015.9.18-20 1

汇报提纲 9y 一、进展、前沿与难点 二、未来可能的研究方向与合作 2

汇报提纲 一、进展、前沿与难点 二、未来可能的研究方向与合作 2

等离子体点火助燃的重要需求 P ■民用发动机：节能、减排，贫油燃烧、低温燃烧 ·军用发动机：拓宽边界（极端条件一压力、温度、 速度)、简化结构（取消补氧、火焰稳定器） Altitude,km 60 Plasma Assisted Scramjet Brea thing Scramjet 20 Ramjet Turbojet High Thermal Loads Mach Number 10 3

等离子体点火助燃的重要需求  民用发动机：节能、减排，贫油燃烧、低温燃烧  军用发动机：拓宽边界（极端条件—压力、温度、 速度）、简化结构（取消补氧、火焰稳定器） 3

等离子体点火助燃的基本概念 P 高压电源+等离子体激励器 高电压技术 油气混合物放电等离子体 等离子体动力学 热效应化学效应气前效应 燃烧学 点火、燃烧性能改善 航空推进技术 发动机应用 4

等离子体点火助燃的基本概念 4 高压电源 + 等离子体激励器 油气混合物放电等离子体 加热效应 化学效应 气动效应 点火、燃烧性能改善 发动机应用 等离子体动力学 燃烧学 高电压技术 航空推进技术

研究概况 P 激励系统 等离子体 科学发现驱动 的基础研究→ ??效应 OSU Princ 机理与模型 ECP eton 工程驱动的应 点火助燃 Imagi 用基础研究→ neeri ng 规律与方法 应用 5

研究概况 5 激励系统 等离子体 ？？效应 点火助燃 应用 科学发现驱动 的基础研究→ 机理与模型 工程驱动的应 用基础研究→ 规律与方法 OSU Princ eton ECP Imagi neeri ng

美国等离子体助燃MURI项目 MURI:Fundamental Mechanisms,Predictive Modeling,and Novel Aerospace Applications of Plasma Assisted Combustion (2009-2014) 口The Ohio State University(lgo1、宽广条件下的韭平衡等离子 Princeton University(Yiguang 口r University(Richard N体动力学实验数据与机制（温度： 口Princeton University(Andrey St300-1800K,压力：0.1-70bar) 口Pennsylvania State University(G2、纳秒脉冲、直流/射频、微波 Georgia Institute of Technology 等离子体对点火延迟、火焰稳定 口Ecole Polytechnique(Svetlan与层流火焰速度影响的实验数据 Moscow State University (Nik 口Moscow Institute of Physics a3、高精度仿真程序 Ecole Centrale (Christophe Laux) 6

6  The Ohio State University (Igor Adamovich)  Princeton University (Yiguang Ju)  Princeton University (Richard Miles)  Princeton University (Andrey Starikovskii)  Pennsylvania State University (Rich Yetter)  Georgia Institute of Technology (Vigor Yang)  Ecole Polytechnique (Svetlana Starikovskaya)  Moscow State University (Nikolay Popov)  Moscow Institute of Physics and Technology (Nikolay Aleksandrov)  Ecole Centrale (Christophe Laux) MURI: Fundamental Mechanisms, Predictive Modeling, and Novel Aerospace Applications of Plasma Assisted Combustion (2009-2014) 美国等离子体助燃MURI项目 1、宽广条件下的非平衡等离子 体动力学实验数据与机制（温度： 300-1800K，压力：0.1-70bar） 2、纳秒脉冲、直流/射频、微波 等离子体对点火延迟、火焰稳定 与层流火焰速度影响的实验数据 3、高精度仿真程序

OSU-Adamovich:关键参数的激光测试与诊断 Temperature,K [OH],cm3 H2/CJ-C3-air 2000 ●象●T P=50-500torr ■[OH 101 》>电场强度 1500 >电子温度与密度 >转动温度 1000 振动能级分布 OH'emission > d >O、H、OH、NO等 500 1013 900K→700K 12 Tin HV T.K [H],cm-3 P=40 torr [oH].cm-3 800 x10 x10“ 3 mm G00 10 10 0 300 .10 103 r,mm 10 103 r.mm f.us -20 N,+0,→NX)+O+0 10 H2 -02-Ar -20 V-T relaxation by O atoms H+02→0H+01 1Ho,+二0} AIAA2015-0155 10+4之0g±里 g±0-2咀±

P=40 torr H2 - O2 – Ar OSU-Adamovich：关键参数的激光测试与诊断 7 H2/C1-C3-air P=50-500torr  电场强度  电子温度与密度  转动温度  振动能级分布  O、H、OH、NO等 900K→700K AIAA 2015-0155

Princeton-Ju:基于非平衡等离子体的低温燃烧 Fuel/N,550 K 常规火焰 Heated N. Fuel(RH) +OH RO2 0 R Small N 等离子体，冷火焰 --C2H3 alkane 02+03@300K +02 +02 +02 Ozone generator -02 OH H02 +02+(M -H/HCO +CH3/O +0 % +fuel +H 4%03 OH /0 O+OH no flame H202→20H e aje uiens sion flame, 蓝色：红色：>1050K 0.02 0.1 0.14 0.18 Fuel mole fraction X; 8 Ju Y,Sun W.PECS,2015,21-83

8 Princeton-Ju：基于非平衡等离子体的低温燃烧 常规火焰 等离子体，冷火焰 Ju Y, Sun W. PECS, 2015, 21-83

ECP-Laux:基于纳秒脉冲等离子体的贫油燃烧 Without plasma With plasma,30 kHz Swirled air Propane HV 1.95m2/h 1.95m2/h -Swirled ①=0.44 ①=0.44 air 1.8m/ 00.4 1.8m3/h D=0.4 Extinction 1.65m2/h Propane 中=0.4 D=0.37 Swirled Gain 70% 1,2m3/h air 中=0.27 52kW Extinction Propane with plasma 1.05m2/h Φ=0.23 Φ=0.11 > 煤油-空气，3bar 纳秒放电，100kHz >小于火焰功率1% 200kW >0.44→0.21(52%) 9

9 ECP-Laux：基于纳秒脉冲等离子体的贫油燃烧 52kW 200kW  煤油-空气，3bar  纳秒放电，100kHz  小于火焰功率1%  0.44 → 0.21 (52%)

ECP-Laux: 基于纳秒脉冲等离子体的贫油燃烧 Chemical effects RH+O→R+OH 0 4321 2 Oxida ion N2(X) N2(A) N2(B) N2(X) N2(C) 2500 Temperature AT 2000 Thermal effects 1500 1.2x10 1.0x10 2600 -1.0 O(P)density 8.0x10 2500 6.0x10 4.0x10 2400 0.8 20x107 2300 10 200 0.6 ●● 1039 N(B ▣-T of N.C-delay0ns 10 2100 △T,of N.C.delay10ns Normalized density of N,(C) 0.4 2000 109 N(C 1900 10 20 30 0.2 1800 Time(ns) 1700 -0.0 1 30 0 60 90 PRF(kHz)

10 ECP-Laux：基于纳秒脉冲等离子体的贫油燃烧