CN102287349A

CN102287349A - 飞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

Info

Publication number: CN102287349A
Application number: CN2011101487247A
Authority: CN
Inventors: 于欣; 孙锐; 彭江波; 杨晓川; 陈德应; 刘辉; 伊亚超; 王春红; 孙军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-12-21

Abstract

飞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，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。它解决了现有气流速度超临界燃烧系统中存在的燃烧不稳定、火焰易熄灭的问题。方法：在所述石英玻璃圆管的管口处将混合气体点燃，形成本生灯火焰，并使混合气体的速度超临界；采用飞秒激光器发射飞秒激光光束，并将所述飞秒激光光束聚焦在混合气体的未燃区域诱导混合气体产生等离子体，实现提高火焰稳定极限。装置：混气罐的出气口与石英玻璃圆管的进气口连通；石英玻璃圆管的顶端产生火焰，飞秒激光器产生的飞秒激光光束聚焦在混合气体的未燃区域。本发明可广泛应用于各种气流速度超临界的燃烧系统的设计中。

Description

飞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

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

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，火焰稳定技术是必不可少的。传统的火焰稳定技术有比如值班火焰、支板和回旋气流等。值班火焰主要以热能的形式将能量转移到燃烧系统的气流中，从而实现火焰稳定。这种方法会明显增加系统中气流的温度，不利于减小NO_x的产生，而且在工业实际应用当中非常复杂，并不实用。支板和回旋气流方法在实际应用中更为方便，它们在燃气流中产生一个回流区，能够降低气流速度并预热未燃气体，从而增加火焰的稳定性。然而，通过回流模式把已燃气体夹带到未燃气流中，增加了气流在反应区的驻留时间，这会导致NO_x的显著增多。达不到减排的目的。此外，上述方法若用到超声速和高超声速推进系统中，还会导致严重的热管理难题和总压损失。由此可知，传统的插入式稳燃方法无法很好地解决超临界气流中的稳燃难题。因此，全新的非插入式稳燃方法成为当今的研究热点。

随着气流驻留时间受限于燃烧系统的发展，如超声速和高超声速飞行器的推进系统，如何实现有效和可靠的点火、火焰传播和火焰稳定成为一个挑战。在上述燃烧系统的燃烧室中，其气流速度是超临界的，所述超临界即气流速度大于可燃混合物的燃烧速度或火焰传播速度极限，存在点火延迟时间长、燃烧不稳定、火焰易熄灭的难题。

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、火焰易熄灭的问题，从而提供一种飞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。

飞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、将混合气体通入石英玻璃圆管中，并在所述石英玻璃圆管的管口处将混合气体点燃，形成本生灯火焰，并使混合气体的速度超临界；所述混合气体是氧气、氮气和可燃气体的混合物；

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

步骤一中所述的可燃气体为甲烷、丙烷和乙炔中的一种或几种的组合。

步骤二中采用的飞秒激光器输出的单脉冲能量范围在0.5mJ～2mJ之间。

步骤二中采用的飞秒激光器的重复频率为1kHz。

步骤二中采用的飞秒激光器输出的激光脉冲脉宽约为40fs。

步骤二中采用的飞秒激光器输出的中心波长约为800nm，带宽约为40nm。

步骤二中采用的光束聚焦在石英圆管中轴线上，位置在管口处至管口之上3倍管径的高度范围内。

实现上述方法的装置，它包括甲烷气瓶、氧气瓶、氮气瓶、甲烷质量流量控制器、氧气质量流量控制器、氮气质量流量控制器、多通道质量流量显示仪、混气罐、石英玻璃圆管、飞秒激光器、光路系统、调焦望远镜、CCD成像仪和计算机；

甲烷质量流量控制器用于测量和控制甲烷气瓶流出气体的流量；氧气质量流量控制器用于测量和控制氧气气瓶流出气体的流量；氮气质量流量控制器用于测量和控制氮气气瓶流出气体的流量；甲烷质量流量控制器的测量信号输出端、氧气质量流量控制器的测量信号输出端和氮气质量流量控制器的测量信号输出端分别与质量流量显示仪的三个测量信号输入端连接；控制甲烷气瓶的出气口、氧气气瓶的出气口和氮气气瓶的出气口分别与混气罐的四个进气口连通；混气罐的出气口与石英玻璃圆管的进气口连通；该石英玻璃圆管的顶端产生火焰，飞秒激光器产生的飞秒激光光束通过光路系统聚焦在所述的混合气体的未燃区域；CCD成像仪的光输入端处设置有调焦望远镜，CCD成像仪用于通过调焦望远镜采集火焰的图像；CCD成像仪的信号输出端与计算机连接。

有益效果：本发明基于飞秒激光重频高、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，会形成一个稳定的热源和高活性粒子源。飞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，提高燃气的温度，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，保证火焰不易熄灭。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、飞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：

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤一中所述的可燃气体为甲烷、丙烷和乙炔中的一种或几种的组合。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤一中所述的混合气体为氧气、氮气和甲烷的混合物，所述甲烷的体积百分比的范围是4.8％～18.8％；氧气的体积百分比的范围是16.9％～21.8％；氮气的体积百分比是62.5％～75.8％之间。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的飞秒激光器的波长和功率可调，通过调整棱镜角度和输入电功率实现。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的飞秒激光器输出的单脉冲能量范围在0.5mJ～2mJ之间。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的飞秒激光器的重复频率为1kHz。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的飞秒激光器输出的激光脉冲脉宽约为40fs。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的飞秒激光器输出的中心波长约为800nm，带宽约为40nm。

具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法的区别在于，步骤二中采用的光束聚焦在石英圆管中轴线上，位置在管口处至管口之上3倍管径的高度范围内。

具体实施方式十、结合图1说明本具体实施方式，实现具体实施方式一所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的装置，它包括甲烷气瓶1、氧气瓶2、氮气瓶3、甲烷质量流量控制器4、氧气质量流量控制器5、氮气质量流量控制器6、多通道质量流量显示仪7、混气罐8、石英玻璃圆管9、飞秒激光器14、光路系统13、调焦望远镜12、CCD成像仪11和计算机10；

甲烷质量流量控制器4用于测量和控制甲烷气瓶1流出气体的流量；氧气质量流量控制器5用于测量和控制氧气气瓶2流出气体的流量；氮气质量流量控制器6用于测量和控制氮气气瓶3流出气体的流量；甲烷质量流量控制器4的测量信号输出端、氧气质量流量控制器5的测量信号输出端和氮气质量流量控制器6的测量信号输出端分别与质量流量显示仪7的三个测量信号输入端连接；控制甲烷气瓶1的出气口、氧气气瓶2的出气口和氮气气瓶3的出气口分别与混气罐8的四个进气口连通；混气罐8的出气口与石英玻璃圆管9的进气口连通；该石英玻璃圆管9的顶端产生火焰，飞秒激光器14产生的飞秒激光光束通过光路系统13聚焦在所述的混合气体的未燃区域；CCD成像仪11的光输入端处设置有调焦望远镜12，CCD成像仪11用于通过调焦望远镜12采集火焰的图像；CCD成像仪11的信号输出端与计算机10连接。

具体实施方式十一、本具体实施方式与具体实施方式十所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的装置的区别在于，飞秒激光器14的激光中心波长为800nm，带宽约为40nm，单脉冲能量0.5～2mJ，重复频率1kHz。

本实施方式中，采用的混气罐8中的混合气体分别为：氧气、甲烷和氮气，所述的飞秒激光器14是由Coherent Inc.制造的legend-UPS Ti：sapphire啁啾脉冲放大系统。

本实施方式所述混气罐8的混合气体中甲烷的体积百分比的范围在4.8％～18.8％之间；氧气的体积百分比的范围在16.9％～21.8％之间；氮气的体积百分比在62.5％～75.8％之间。

Claims

1.飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征是：它由以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤一中所述的可燃气体为甲烷、丙烷和乙炔中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤一中所述的混合气体为氧气、氮气和甲烷的混合物，所述甲烷的体积百分比的范围是4.8％～18.8％；氧气的体积百分比的范围是16.9％～21.8％；氮气的体积百分比是62.5％～75.8％之间。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤二中采用的飞秒激光器输出的单脉冲能量范围在0.5mJ～2mJ之间。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤二中采用的飞秒激光器的重复频率为1kHz。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤二中采用的飞秒激光器输出的激光脉冲脉宽约为40fs。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于步骤二中采用的飞秒激光器输出的中心波长约为800nm，带宽约为40nm。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的方法，其特征在于，步骤二中所述的飞秒激光光束聚焦在石英圆管中轴线上，并且位于管口至管口之上3倍管径的高度范围内。

9.实现权利要求1的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的装置，其特征是：它包括甲烷气瓶(1)、氧气瓶(2)、氮气瓶(3)、甲烷质量流量控制器(4)、氧气质量流量控制器(5)、氮气质量流量控制器(6)、多通道质量流量显示仪(7)、混气罐(8)、石英玻璃圆管(9)、飞秒激光器(14)、光路系统(13)、调焦望远镜(12)、CCD成像仪(11)和计算机(10)；

甲烷质量流量控制器(4)用于测量和控制甲烷气瓶(1)流出气体的流量；氧气质量流量控制器(5)用于测量和控制氧气气瓶(2)流出气体的流量；氮气质量流量控制器(6)用于测量和控制氮气气瓶(3)流出气体的流量；甲烷质量流量控制器(4)的测量信号输出端、氧气质量流量控制器(5)的测量信号输出端和氮气质量流量控制器(6)的测量信号输出端分别与质量流量显示仪(7)的三个测量信号输入端连接；控制甲烷气瓶(1)的出气口、氧气气瓶(2)的出气口和氮气气瓶(3)的出气口分别与混气罐(8)的四个进气口连通；混气罐(8)的出气口与石英玻璃圆管(9)的进气口连通；该石英玻璃圆管(9)的顶端产生火焰，飞秒激光器(14)产生的飞秒激光光束通过光路系统(13)聚焦在所述的混合气体的未燃区域；CCD成像仪(11)的光输入端处设置有调焦望远镜(12)，CCD成像仪(11)用于通过调焦望远镜(12)采集火焰的图像；CCD成像仪(11)的信号输出端与计算机(10)连接。

10.根据权利要求9所述的飞秒激光诱导等离子体提高气体碳氢燃料稳燃极限的装置，其特征在于飞秒激光器(14)的激光中心波长为800nm，带宽约为40nm，单脉冲能量0.5～2mJ，重复频率1kHz。