[发明专利]纳秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法及实现该方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法及实现该方法的装置。

背景技术

等离子体助燃是通过将燃料和氧化剂电离、解离或激发为活性分子、原子、自由基和分子碎片等促进燃烧氧化进程，提高燃烧速度和燃烧效率。近年来，随着节能减排需求的日益迫切和航天航空领域超声速和高超声速飞行器成为主流发展方向，发展各种气流速度超临界燃烧系统成为主流趋势。然而，为了在超临界气流中实现稳定燃烧，火焰稳定技术必不可少。高超声速飞行器采用超燃冲压发动机作为其动力系统。超燃冲压发动机的气流速度为超声速，在超声速气流中组织燃烧，其工作范围是6-12马赫，气流驻留典型时间仅为毫秒量级。其主要问题在于气流速度远大于火焰传播速度，火焰极易吹熄，为了防止火焰熄灭，必须解决气流速度与火焰传播速度不匹配的问题，因此需要设置火焰稳定装置。稳定燃烧可通过提高火焰传播速度和降低气流速度两种方式来实现，但降低流速将导致燃料不能充分释放能量，燃料利用效率不高，发动机不能获得有效推力，因此，应用非介入式的等离子体助燃方法来促进燃料氧化反应速率，提高火焰传播速度正在成为当下全球十分关注的热门课题。

发明内容

本发明是为了解决现有气流速度超临界燃烧系统中存在的燃烧不稳定、火焰易吹熄的问题，从而提供一种纳秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法及实现该方法的装置。

纳秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将预混罐中的混合可燃气体通入石英管中，并在石英管口处将混合气体点燃，形成本生灯火焰，并使混合可燃气体的流速处于超临界状态；

步骤二、采用纳秒激光器发射激光光束，并将所述纳秒激光光束聚焦在步骤一所述的混合可燃气体的未燃区域，诱导混合可燃气体产生等离子体，实现提高火焰稳定极限。

实现上述方法所述的纳秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的装置，它包括N₂气瓶4、O₂气瓶5、CH₄气瓶6、预混罐7、石英管9、Nd:YAG激光器10、反射镜11、分光镜12和透镜13；

N₂气瓶4的出气口与预混罐7的N₂进气口连通；所述O₂气瓶4的出气口与预混罐7的O₂进气口连通；所述CH₄气瓶4的出气口与预混罐7的CH₄进气口连通；预混罐7的出气口与石英管9的末端连通；

Nd:YAG激光器10产生的激光经反射镜11反射至分光镜12，经分光镜12分成反射光和透射光；所述一号反射光出射至外部；透射光入射至透镜13；经透镜13聚焦至石英管9的出气口上。

它还包括调焦望远镜16和ICCD15，所述本生灯火焰产生的光经调焦望远镜16成像到ICCD15上。

它还包括双通道能量计2，一号反射光入射至双通道能量计2的探头。

它还包括计算机1和延时发生器14，所述延时发生器14的延时信号输出端与Nd:YAG激光器10的延时信号输入端、双通道能量计2的延时信号输入端、ICCD15的延时信号输入端连接；所述计算机1的图像信号输入端与ICCD15的图像信号输出端连接。

它还包括流量控制器3和三个电控阀，所述三个电控阀分别设置在N₂气瓶4的出气口处、O₂气瓶5的出气口处和CH₄气瓶6的出气口处；所述流量控制器3的三个控制信号输出端与三个电控阀的控制信号输入端连接。

Nd：YAG激光器输出激光的波长为1064nm或532nm；输出的脉冲能量在40mJ～200mJ之间；重复频率为100Hz～500Hz；脉冲宽度为5ns～20ns。

透镜13将光束聚焦至石英圆管中轴线上，位于石英管9的管口处与从该管口起向上3倍管径的高度范围内。

本发明基于纳秒激光重频高、脉宽窄和峰值功率高的特点，将激光光束聚焦在混合气体未燃区域，形成一个稳定的热源和高活性粒子源。纳秒激光诱导的等离子体中含有大量的活性自由基、原子和分子碎片，这些活性粒子诱发并加速燃烧链式反应速度，加快化学反应放热，提高燃气温度，从而有效提高燃料的燃烧效率，形成一个以等离子体核为顶点的稳定火焰，提高火焰的稳定性，扩展火焰的稳定极限，使火焰不易吹熄。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式