激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火機(jī)理研究

激光等離子體點(diǎn)火技術(shù)具有點(diǎn)火位置和時(shí)序精確可控、電磁兼容性好、工況適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)上具有廣泛的應(yīng)用前景。項(xiàng)目針對(duì)激光等離子體點(diǎn)火參數(shù)和機(jī)理不明確的研究現(xiàn)狀，開展了激光等離子體點(diǎn)火機(jī)理研究，獲得了如下創(chuàng)新性研究成果。 1）建立了甲烷/氧氣混合燃?xì)饧す獾入x子體點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，研究了熱效應(yīng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)在點(diǎn)火過程中的作用，明確了影響成功點(diǎn)火的關(guān)鍵因素是初始火核中激光等離子體產(chǎn)生早期形成的活性基團(tuán)的濃度，提出了“熱效應(yīng)-燃燒化學(xué)反應(yīng)”點(diǎn)火新機(jī)理，完善了現(xiàn)有的“間接點(diǎn)火”模型。 2）系統(tǒng)獲得了甲烷/氧氣混合燃?xì)饧す庹T導(dǎo)等離子體的電子溫度、電子密度、時(shí)空演化、活性粒子分布、振轉(zhuǎn)溫度等特性，為分析激光等離子體點(diǎn)火機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。 3）系統(tǒng)開展了甲烷/氧氣預(yù)混和擴(kuò)散燃?xì)庀到y(tǒng)激光等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，建立了最小點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延時(shí)等參數(shù)的研究方法，獲得了相關(guān)參數(shù)的邊界條件，為激光等離子體點(diǎn)火的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 4）提出了激光燒蝕等離子體點(diǎn)火技術(shù)，使成功點(diǎn)火的激光脈沖能量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于激光等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的小型化，促進(jìn)了激光等離子體點(diǎn)火技術(shù)的工程應(yīng)用。 5）在國(guó)內(nèi)最先開展了液氧/甲烷等低溫燃料的激光等離子體點(diǎn)火研究，突破了低溫推進(jìn)劑燃料可靠重復(fù)點(diǎn)火的技術(shù)瓶頸，在姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模擬器上成功實(shí)現(xiàn)了液氧/甲烷的激光等離子體點(diǎn)火，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。 6）克服了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中湍流耦合、激波干擾等惡劣條件，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了Ma2.52超聲速氣流條件下航空煤油的直接激光點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠重復(fù)點(diǎn)火奠定了基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目的研究成果對(duì)于加深激光等離子體點(diǎn)火機(jī)理的研究、促進(jìn)激光等離子體點(diǎn)火的工程應(yīng)用具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的可靠重復(fù)點(diǎn)火提供了重要的技術(shù)支撐。 2100433B

激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火（Laser-induced Plasma Ignition, LPI）技術(shù)是一種新型的點(diǎn)火方式，有望解決姿軌控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電火花點(diǎn)火器高壓工作、電磁兼容性差、壽命短、電極能量損失等問題。目前，關(guān)于LPI的研究工作主要集中于最小點(diǎn)火能量、點(diǎn)火成功率等宏觀參量的研究，點(diǎn)火機(jī)理以熱源點(diǎn)火模型為主。本項(xiàng)目通過同時(shí)引入熱點(diǎn)火和化學(xué)動(dòng)力學(xué)點(diǎn)火過程，建立含有熱源和活性粒子源的點(diǎn)火動(dòng)力學(xué)模型。采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，開展甲烷/氧氣混合燃?xì)饧す庹T導(dǎo)等離子體點(diǎn)火機(jī)理的研究，獲得激光誘導(dǎo)等離子體的物理化學(xué)特性，以及活性粒子對(duì)點(diǎn)火過程的影響規(guī)律；完善LPI機(jī)理和掌握影響點(diǎn)火過程的關(guān)鍵因素，推進(jìn)對(duì)LPI點(diǎn)火過程的認(rèn)識(shí)，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

本書是關(guān)于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基礎(chǔ)論著，涵蓋了激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基礎(chǔ)知識(shí)及各種應(yīng)用。本書內(nèi)容豐富，從介紹激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基本原理與儀器結(jié)構(gòu)開始，結(jié)合激光等離子體性質(zhì)及診斷研究，新方法新技術(shù)的拓展，各種數(shù)據(jù)處理模型、相關(guān)儀器研發(fā)進(jìn)展及諸多實(shí)際應(yīng)用案例，全面展示了傳統(tǒng)分析方法、自由定標(biāo)方法、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法等對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿光譜信息解釋的有關(guān)技術(shù)和知識(shí)。全書共8章，內(nèi)容涉及基本原理、儀器研發(fā)、技術(shù)進(jìn)展及該技術(shù)在地質(zhì)、冶金、石油、材料、環(huán)境、考古等社會(huì)熱點(diǎn)中的應(yīng)用，并探討了該技術(shù)在深空、深海、深地等極端環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩是一種新型的能量轉(zhuǎn)換方法，基于其原理可建成完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的、以風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)。本項(xiàng)目擬從理論、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究：建立時(shí)均流剪切邊界層非穩(wěn)定性問題的多維度、可壓縮流、非穩(wěn)態(tài)物理模型，確定聲場(chǎng)工作頻率和強(qiáng)度與漩渦形成周期、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)速度的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)上引入非線性熱聲學(xué)理論，首次建立時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩的完整物理模型?；贒ES算法，利用CFD方法對(duì)物理模型數(shù)值求解，獲得壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和密度場(chǎng)的數(shù)值解，實(shí)現(xiàn)完整物理場(chǎng)分析；研制一臺(tái)時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的高效熱聲制冷機(jī)，在熱聲板疊上產(chǎn)生不小于150K的可用溫差，對(duì)時(shí)均、交變流場(chǎng)中的壓力（波動(dòng)）、速度（波動(dòng)）、溫度（分布）進(jìn)行精確測(cè)量，通過綜合分析發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含的規(guī)律。最后，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探明時(shí)均流、誘導(dǎo)聲場(chǎng)、熱聲效應(yīng)之間的耦合作用機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)以自然風(fēng)等時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)奠定理論基礎(chǔ)。