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