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等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 版權信息
- ISBN：9787302678984
- 條形碼：9787302678984 ; 978-7-302-67898-4
- 裝幀：精裝
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 本書特色
本書面向先進燃燒動力設備不斷技術發展的新需求，以等離子體助燃中的共性問題為核心開展系統性研究，具有重要學術意義。
等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 內容簡介
本書面向先進燃燒動力設備不斷技術發展的新需求，設計典型等離子體助燃實驗發展關鍵物理量光學診斷技術，揭示了等離子體/電場-流場-火焰場中主要物理量之間的作用規律，形成了等離子體/電場直接調控燃燒過程的新方法。本書圍繞非平衡等離子體調控燃燒動力學和光學診斷開展了以下工作：（1）揭示了等離子體射流的湍流特征及電場力隨雷諾數的變化規律，解耦出等離子體射流對平面火焰的流體動力學效應，構建了流場拉伸條件下的火焰傳遞函數模型；（2）發展了適用于燃燒過程的皮秒級電場誘導二次諧波技術及標定方法，率先開展了等離子體助燃環境中的瞬態電場測量，揭示了電場-火焰離子相互作用改變火焰結構和穩定性的機制；（3）設計了旋轉滑動弧放電，在寬雷諾數范圍內大幅度拓寬了甲烷預混旋流火焰的貧燃極限，揭示了滑動弧持續點火和增強燃燒穩定性的機制，形成了等離子體直接調控燃燒過程的新方法。
等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 前言
燃燒是火箭發動機、航空發動機和地面熱能設備的主要動力來源，隨著國家航空航天和燃機技術的發展，燃燒科學在國防安全和國民經濟中的地位更加重要，不斷與復雜化學反應動力學、非線性光學、多相流體力學和等離子體物理等學科交叉融合，涌現了一批新型燃燒技術。其中，等離子體調控燃燒由于響應迅速、路徑多樣和直接作用于火焰鋒面等優勢，在近10年得到了廣泛關注和快速發展，成為提高發動機性能和實現清潔燃燒的關鍵技術路線。
等離子體是一類由自由移動的帶電粒子(電子、離子等)和中性粒子組成的特殊物質，表現出準電中性和集體行為。燃燒反應過程會生成少量自由移動的電子和離子，因此火焰也可視為一種弱電離的等離子體。研究等離子體助燃的挑戰主要來自等離子體和燃燒體系中多物理場、多尺度作用及非線性效應，流場、電場、溫度、電子密度和組分等物理量的準確測量十分困難，且這些物理量之間存在復雜的耦合關系。因此我們首先做的工作是建立標準等離子體放電裝置及燃燒器，同時發展先進光學診斷技術，實現等離子體助燃體系中重要物理量的瞬態測量，厘清等離子體與燃燒相互作用的關鍵物理化學路徑。
對等離子體助燃過程的光學診斷可以大致分為等離子體診斷和燃燒診斷兩類。一方面，傳統的燃燒診斷技術如平面激光誘導熒光（PLIF），在等離子體助燃過程中仍然適用。而粒子圖像測速（PIV）技術，由于示蹤粒子和等離子體的相互作用及荷電顆粒在電場驅動下產生漂移速度，其適用性和測量精度需要重新論證。另一方面，等離子體診斷主要涉及電場強度、帶電粒子密度和能量，本書對電子密度的測量是借鑒了清華大學工程物理系蒲以康教授課題組基于碰撞輻射模型開發的譜線法； 而對電場的測量則是與美國俄亥俄州立大學Igor Adamovich教授團隊合作，發展了適用于燃燒過程的皮秒級電場誘導二次諧波技術及標定方法。
在機理研究階段，我們主要使用了介質阻擋放電（DBD）和納秒脈沖放電作為等離子體源，耦合對沖火焰燃燒器開展研究。前期在美國普林斯頓大學羅忠敬教授和朱德林先生的指導下，課題組吳寧博士建立了一套集成預熱、水冷、測溫和壓力調節的對沖火焰系統。我們將燃燒器下噴嘴改造成DBD等離子體發生裝置，通過測量流場脈動、電子密度和估計電場體積力，揭示了等離子體射流的湍流特征及電場力隨雷諾數的變化規律； 繼而，通過巧妙的實驗設計解耦了等離子體射流對平面火焰的流體動力學效應和化學效應，構建了流場拉伸條件下的火焰傳遞函數模型，獲得了等離子體對不同拉伸率下甲烷火焰點熄火邊界的調控規律。此外，在新建立的縮尺對沖火焰裝置上，我們開展了靜電場及等離子體助燃環境中的瞬態電場矢量測量，揭示了電場火焰相互作用改變火焰結構和穩定性的機制。
進一步地，我們將目光投向等離子助燃的應用基礎研究上，首先是沿用介質阻擋放電和對沖火焰裝置，測試了等離子體對正庚烷、異辛烷和正癸烷等模型化合物預蒸發氣體著火過程的促進作用；結合關鍵中間產物測量和數值計算，揭示了等離子體促進飽和烷烴燃料裂解并促進其著火特性的化學及輸運機制。此外，針對民用航空發動機和地面燃機低氮貧燃不穩定燃燒，以及戰斗機高空機動和二次點火困難，設計滑動弧等離子體裝置實現了寬雷諾數范圍的旋流火焰直接調控，有效地改善了點熄火邊界和燃燒不穩定性，并結合光學診斷和理論分析，總結了滑動弧的持續釋熱、自由基生成，以及電場火焰作用等不同機制。
希望本書內容能夠促進等離子體調控燃燒領域的發展，引起人們對新概念燃燒技術的重視。我們注意到，隨著國家“雙碳目標”及可持續發展戰略的實施，除了面向傳統的碳氫燃料外，等離子體在調控氨和離子液體推進劑等綠色燃料燃燒方面也開始發揮更多作用。
等離子調控燃燒是燃燒反應路徑調控領域的前沿和難點，受研究水平和條件限制，書中難免有不足之處，懇請同行專家和廣大讀者指正。
姚強李水清清華大學能源與動力工程系2022年2月
等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 目錄
第1章引言
1.1研究背景與意義
1.1.1極端條件下的燃燒需求和挑戰
1.1.2傳統燃燒調控方式及其局限性
1.1.3等離子體調控燃燒的優勢分析
1.1.4等離子體在新型燃燒技術中的應用
1.2共性科學問題
1.3研究現狀
1.3.1面向助燃的等離子體放電技術發展
1.3.2等離子體對于火焰關鍵特性的調控效果
1.3.3等離子體助燃中的關鍵物理量及其診斷技術
1.3.4研究現狀小結
1.4本書研究目標及內容
第2章實驗系統設計和在線光學診斷
2.1本章引言
2.2等離子體放電裝置
2.2.1介質阻擋放電
2.2.2納秒脈沖放電
2.2.3滑動弧放電
2.3燃燒器
2.3.1對沖燃燒器
2.3.2旋流燃燒器
2.4光學測量
2.4.1弱電離流體的流速測量
2.4.2CH/OH基平面激光誘導熒光
2.4.3火焰釋熱率脈動測量
2.4.4譜線法測量電子密度
2.4.5基于二次諧波的瞬態電場測量
2.5本章小結
第3章等離子體的電動流體效應及對火焰的傳遞
3.1本章引言
3.2介質阻擋放電的電動流體效應
3.2.1表面DBD中的瞬態電場測量
3.2.2同軸DBD射流的流場解析
3.2.3電場力誘發流場擾動的理論研究
3.3對沖擴散火焰對電動流體脈動的響應
3.3.1流場結構和脈動
3.3.2釋熱率脈動及火焰傳遞函數
3.3.3擴散火焰傳遞函數的理論分析
3.4對沖預混火焰對電動流體脈動的響應
3.4.1流場結構和火焰面運動
3.4.2非穩態預混火焰的LES模擬研究
3.5本章小結
第4章等離子體助燃體系中的電場-火焰動力學研究
4.1本章引言
4.2靜電場平面火焰動力學研究
4.2.1平面擴散火焰在靜電場中的動力學行為
4.2.2平面預混火焰在靜電場中的動力學行為
4.3復合電場在平面火焰中的放電行為
4.3.1平行金屬電極間納秒脈沖放電
4.3.2直流納秒脈沖復合放電
4.4納秒脈沖DBD誘導的燃燒不穩定性研究
4.4.1雙層DBD放電驅動的燃燒不穩定性
4.4.2火焰振蕩的調控及其機理分析
4.5本章小結
第5章等離子體拓展著火/熄火極限的化學機制
5.1本章引言
5.2DBD改善著火/熄火極限的實驗結果
5.2.1DBD對甲烷著火溫度的影響
5.2.2DBD放電對甲烷熄火極限的影響
5.3DBD及火焰中關鍵中間產物
5.3.1CH自由基分布
5.3.2氣相色譜離線測量
5.4DBD拓展著火極限的化學機制分析
5.4.1等離子體重整甲烷的化學路徑
5.4.2H2對甲烷著火的影響
5.5本章小結
第6章等離子體對于復雜火焰的調控機理研究
6.1本章引言
6.2等離子體對預蒸發C7—C10飽和烷烴燃料著火的影響
6.2.1等離子體促進燃料裂解和著火的實驗分析
6.2.2大分子燃料著火化學機理分析
6.3滑動弧等離子體對高雷諾數旋流火焰的穩定作用
6.3.1開放空間下的調控效果
6.3.2受限空間下的調控效果
6.3.3滑動弧的點火和穩燃機理分析
6.4本章小結
第7章結論與展望
7.1主要結論
7.2創新點
7.3建議與展望
參考文獻
在學期間發表的學術論文與研究成果
致謝
展開全部
等離子體調控燃燒過程的光學診斷和機理研究 作者簡介
唐勇，2011年8月考入清華大學熱能工程系能源動力系統及自動化專業，2015年7月本科畢業并獲得工學學士學位。2015 年 8月免試進入清華大學熱能工程系（現更名為能源與動力工程系）攻讀動力工程及工程熱物理專業博士至今。其間2018 年 2 月至 2019 年 1月獲國家留學基金委資助赴美國俄亥俄州立大學機械與航天工程系訪問交流。
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