預混甲烷/空氣激光等離子體點火火焰傳播與發展過程研究

陳 夢，竇志國，史增凱，張玉坤

（航天工程大學 激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416）

0 引言

在航空航天領域，超聲速和高超聲速飛行器得到了廣泛的應用，對超燃沖壓發動機和火箭發動機來說，燃燒室入口氣流速度快，燃料在燃燒室內的駐留時間短，導致燃料在燃燒室內的燃燒不夠充分，燃料利用率較低。此外，真空、低溫、強激波和高湍流度等極端條件的存在也大大增加了點火的難度，利用常規點火方式很難實現穩定點火。因此，人們迫切尋找一種清潔、高效的新型點火方式。

激光等離子體點火 （laser induced plasma ignition，LIPI）是通過透鏡將激光聚焦到混合燃氣中，當焦點處的激光功率密度高于氣體擊穿閾值（約1010W/cm2）時[1]，氣體分子經過多光子電離和雪崩電離等過程誘導產生高溫等離子體輔助燃燒。與傳統電火花塞點火相比，LIPI具有可控性好、NOx排放量低、無侵入式結構等優點。此外，在同樣大小的點火能量下LIPI過程產生初始火焰核的體積要大于電火花點火產生初始火焰核的體積[2]，能夠有效提高點火成功率。因此，在激光器的輕量化和小型化研究取得一定進展后[3]，LIPI技術有取代傳統電火花點火的潛力。

通過對火焰的形態演變過程進行觀測，可以探究點火條件對LIPI過程的影響，對于提高LIPI成功率具有很高的研究價值。國內外關于LIPI的研究多集中于點火特性研究，如最小點火能量[4，5]、點火延遲時間[6，7]等，而對于LIPI火焰的傳播與發展過程關注較少。Morsy等[8]通過對H2/空氣混合燃氣多點激光等離子體點火的火焰傳播與發展過程進行觀測，發現多點同步點火能夠增大火焰體積，提高燃燒速度，這與Nakaya等[9]的結論一致。Dumitrache等[10]在LIPI開始前利用波長為266nm的單脈沖紫外激光對丙烷/空氣預混燃氣進行預電離處理，發現點火過程中未出現第三瓣結構，燃燒過程更加穩定。Yu等[11]對連續脈沖激光誘導等離子體點火的火焰穩定性展開研究，發現增大脈沖激光頻率能夠提高火焰穩定性和燃燒效率。

本文針對LIPI過程的影響因素，從火焰傳播與發展的角度對不同點火位置、當量比和入射激光能量下甲烷/空氣預混燃氣的LIPI進行了實驗研究，獲得了不同點火條件下LIPI的點火成功率和火焰發展圖像，從燃燒反應機理的角度對部分實驗現象進行了解釋。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗裝置

為了探究點火位置、當量比和入射激光能量的改變對火焰傳播與發展過程造成的影響，基于McKenna型平面火焰燃燒器建立了層流甲烷/空氣預混燃氣LIPI系統，如圖1所示。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

平面火焰燃燒器爐盤中心為直徑為60mm的氣流出口，在爐盤上均勻分布有無數個氣孔，氣孔直徑小于140gm。實驗中采用的激光器波長為1064nm，脈沖寬度為10ns，重復頻率為1～20Hz，激光光束直徑為6mm，最大輸出脈沖激光能量為115mJ。CCD相機選用Phanton公司生產的V711型高速彩色相機，相機每幀間隔最短可達1μs，圖像分辨率最高為 1280×1024。 DG645數字延時脈沖發生器有四個脈沖輸出通道，脈沖頻率能夠達到10MHz，可用來控制激光器的出光和相機的觸發。

1.2 實驗方法

由于激光誘導擊穿過程具有一定隨機性，焦點附近局部當量比或氣流速度不合適都可能導致LIPI過程無法形成穩定燃燒的火焰。因此，為了獲得不同點火條件下LIPI成功的概率，需要對每個點火條件重復實驗20次，根據成功點火實驗次數占總實驗次數的比例得到該點火條件下的LIPI成功率。然后，通過對不同點火條件下火焰圖像的位置信息進行提取，對不同當量比和激光能量下火焰前沿位置隨時間的變化規律展開研究。

實驗開始前，先通入預混燃氣，待氣流穩定后手動觸發DG645，之后激光器和CCD相機將按照預先設定好的延遲順序依次觸發。激光器出光后，先后經過16%的分光鏡和聚焦透鏡，最后聚焦在預混燃氣中，入射激光能量可通過激光能量計測得。實驗結束后，先切斷甲烷供給，待火焰熄滅后再關斷空氣。為了確保空氣中殘留的甲烷不對實驗結果造成影響，相鄰實驗的間隔時間應不少于一分鐘。

2 結果與分析

2.1 點火結果隨點火位置的變化規律

本文首先對當量比為0.8、1和1.5時LIPI結果隨點火位置的變化規律進行了研究，并將點火位置與穩態火焰進行對比，實驗結果如圖2所示。其中，圖像背景為穩態火焰圖像，預混燃氣的總流量為10L/min，透鏡焦距為150mm，激光從畫面左側水平射入，單個脈沖激光能量為52.6mJ。

圖2 點火結果隨點火位置的變化規律Fig.2 Relationship between the result of the ignition and the ignition position

由圖2可知，對于當量比為0.8的預混燃氣來說，能夠實現LIPI成功的區域主要集中于距離爐面高度50mm以下的區域，隨著預混燃氣當量比的提高，穩定點火區域的高度也不斷提高。當激光聚焦在穩態火焰的輪廓外部時，很難實現穩定點火，這是由于在該點火區域內空氣與預混燃氣的摻混程度高，焦點附近的局部當量比低于氣體可燃下限，無法產生火焰。當聚焦點位于預混火焰內部時，同樣無法實現成功點火，可能是因為該區域內預混燃氣速度較快、當量比較高，不利于穩定燃燒火焰的形成。實驗發現，在擴散火焰與預混火焰的交界面處點火成功率更高，且隨著焦點高度的降低，點火成功率逐漸增大，這是因為點火位置下降時，初始火焰向下的傳播距離縮短，從而降低了火焰被氣流吹熄的概率。因此，在貧燃條件下進行LIPI成功概率更高，當量比過低或過高都不利于穩定燃燒火焰的形成。

2.2 LIPI火焰傳播過程典型圖像

通過對不同點火條件下LIPI火焰傳播與發展圖像進行觀察，發現預混燃氣LIPI初期火焰的形狀主要有兩種：三瓣形火焰和兩瓣形火焰。其中，透鏡焦距較短時LIPI初期火焰形狀多為三瓣形，原因可能是透鏡焦距較短時，透鏡對激光能量的匯聚效果更穩定，不會出現多點擊穿現象。

如圖3（a）所示為總流量為 30L/min、當量比為 0.65、透鏡焦距為75mm、入射激光能量為113.6mJ時LIPI過程產生的三瓣形火焰，焦點距離爐面的高度為20mm。由圖可知，2ms時在焦點位置處產生以激光入射方向所在直線為對稱軸的兩瓣形火焰，同時在靠近激光入射方向一側產生獨立的第三瓣火焰，22ms時兩團火焰開始接觸，并最終發展成為一整團火焰。保持上述實驗條件不變，使用焦距為250mm的聚焦透鏡開展LIPI實驗研究，得到圖3（b）所示兩瓣形火焰，與圖3（a）進行比較后發現，在同一時刻三瓣形火焰體積要明顯大于兩瓣形火焰體積。

圖3 典型LIPI火焰傳播過程Fig.3 Typical flame propagation of the LIPI （a）

2.3 當量比對火焰傳播過程的影響

研究表明，改變預混燃氣的當量比可以影響火焰速度，原因是當量比的改變會影響火焰溫度，進而導致火焰速度發生改變。對于甲烷氣體來說，火焰速度在稍富燃條件下能夠達到最大值，當量比增大或減小都會降低火焰速度[12]。

如表1所示為預混燃氣總流量為23L/min、透鏡焦距為250mm、入射激光能量為113.6mJ、焦點高度為20mm時LIPI結果隨預混燃氣總體當量比的變化規律。由表可知，當預混燃氣當量比低于0.55或高于0.85時，LIPI過程無法形成穩定燃燒火焰，存在火焰吹熄現象，且隨著預混燃氣當量比的提高，火焰被吹熄的概率逐漸增大；當量比介于0.65和0.8之間時，基本能夠實現百分之百點火成功，隨著當量比進一步提高，形成穩定燃燒火焰的概率逐漸減小，最終無法實現點火。

通過對激光作用后不同時刻的火焰前沿的位置進行提取，得到不同當量比條件下火焰前沿高度隨時間的變化規律，如圖4所示。對LIPI過程中的火焰吹熄現象進行分析后發現，在氣流速度不變的情況下，預混燃氣當量比越高，火焰向下傳播的速度越快，火焰存在的時間越長。

表1 點火結果隨預混燃氣總體當量比的變化規律Tab.1 Relationship between the result of the ignition and the equivalence ratio

圖4 不同當量比條件下火焰前沿高度隨時間的變化規律Fig.4 Temporal evolution of the position of the flame front under different equivalent ratios

2.4 激光能量對火焰傳播過程的影響

本文進一步研究了入射激光能量對LIPI火焰傳播過程的影響，如圖5所示為不同當量比條件下LIPI的點火結果與入射激光能量的關系。實驗選用預混燃氣流量為30L/min，當量比為0.65，透鏡焦距為75mm。由圖可知，入射激光能量為20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ時，對應的可燃極限分別為0.53-0.75、0.48-0.8和0.45-0.9，實驗結果表明，隨著入射激光能量的增大，預混燃氣的可燃上限提高，可燃下限降低，可燃極限范圍變寬。此外，當預混燃氣當量比處于0.55-0.65之間時，提高入射激光能量能夠有效降低火焰吹熄概率。

圖5 不同入射激光能量條件下LIPI結果隨當量比的變化規律Fig.5 Relationship between the LIPI results and the equivalence ratio under different laser energies

通過對火焰前沿的位置進行提取，獲得了不同入射激光能量下火焰前沿高度隨時間的變化規律，如圖6所示。由圖可知，在激光作用后的相同時刻，激光能量越高，火焰前沿向下運動的距離越遠，與平面火焰燃燒器爐面之間的距離越短。對20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ的入射激光能量來說，LIPI過程形成穩定燃燒火焰所需的時間分別為110ms、90ms和60ms。實驗結果表明，隨著入射激光能量的提高，LIPI過程形成穩定燃燒火焰所用的時間越短。

圖6 不同激光能量下火焰前沿高度隨時間的變化規律Fig.6 Temporal evolution of the position of the flame front under different laser energies

圖7 不同激光能量下火焰前沿速度隨時間的變化規律Fig.7 Temporal evolution of the velocity of the flame front under different laser energies

通過對火焰前沿的速度進行計算，得到火焰前沿移動速度隨時間的變化規律，如圖7所示。由圖可知，在LIPI初期，火焰前沿移動的速度較快，且隨著入射激光能量的提高，LIPI初始階段火焰的速度也變快，在4ms時火焰前沿的移動速度能達到50cm/s，遠遠高于大氣條件下甲烷/空氣預混燃氣火焰的速度[12]。這是由于入射激光能量增大，LIPI過程產生的初始火焰核的溫度升高，火焰速度也隨之升高，而隨著時間的改變，初始火焰核內部燃燒活性基團的數量減少，加上未燃氣體對火焰核的冷卻作用，導致著火區域的溫度迅速下降，火焰速度也隨之減緩。

3 結論

本文采用納秒激光器，以McKenna型平面火焰燃燒器為研究對象，開展了層流甲烷/空氣預混燃氣LIPI實驗研究，利用高速攝影技術對LIPI火焰傳播與發展過程進行了觀測，獲得了不同點火條件下LIPI的火焰傳播特性，主要結論如下：

（1）LIPI過程有可能產生三瓣形火焰和兩瓣形火焰這兩種不同形態的火焰，三瓣形火焰多出現于短焦距透鏡LIPI實驗中，兩瓣形火焰多出現于長焦距透鏡LIPI實驗中。

（2）LIPI與激光聚焦點位置有關，在預混火焰和擴散火焰交界面處點火更利于形成穩定燃燒火焰，且激光聚焦點的高度越低，LIPI成功率越高。此外，LIPI受預混燃氣當量比和入射激光能量影響，貧燃和高入射激光能量條件更利于LIPI。

（3）利用高速攝影技術獲得了不同當量比和入射激光能量下火焰前沿位置隨時間的變化規律，對火焰吹熄現象展開了研究，發現提高預混燃氣當量比、增大入射激光能量能夠降低火焰吹熄現象發生的概率，縮短LIPI過程形成穩定燃燒火焰所需的時間。（感謝國家自然科學基金（51606220）提供實驗平臺與技術支持。）

[1]Phuoc T X.Laser-induced spark ignition fundamental and applications[J].Optics&Lasers in Engineering，2006，44（5）：351-397.

[2]Endo T，Takenaka Y，Sako Y，et al.An experimental study on the ignition ability of a laser-induced gaseous breakdown[J].Combustion&Flame，2017，178：1-6.

[3]Pavel N，Tsunekane M，Taira T.Composite，All-Ceramics，Highpeak power Nd：YAG/Cr4+：YAG monolithic micro-laser with multiple-beam output for engine ignition [J].Optics Express，2011，19（10）：9378-9384.

[4]Liu C，Chen D，Fan R，et al.Laser induced spark ignition of coaxial methane/oxygen/nitrogen diffusion flames [J].Optics Express，2014，22（3）：3447-3457.

[5]Beduneau J L，Kim B，Zimmer et al.Measurements of minimum ignition energy in premixed laminar methane/air flow by using laser induced spark[J].Combustion and Flame，2003，132：653-665.

[6]Phuoc T X，White C M，McNeill D H.Laser spark ignition of a jet diffusion flame[J].Optics and Lasers in Engineering，2002，38：217-232.

[7]Ciprian Dumitrache，Marc Baumgardner，Andrew Boissiere，Amir Maria，John Roucis，Anthony J.Marchese，Azer Yalin.A study of laser induced ignition of methane-air mixtures inside a rapid compression machine[J].Proceedings of the Combustion Institute，Volume 36，Issue 3，2017，3431-3439.

[8]Morsy M H，Chung S H.Laser-induced multi-point ignition with a single-shot laser using two conical cavities for hydrogen/air mixture[J].Experimental Thermal&Fluid Science，2003，27（4）：491-497.

[9]Nakaya S，Iseki S，Gu X J，et al.Flame kernel formation behaviors in close dual-point laser breakdown spark ignition for lean methane/air mixtures[J].Proceedings of the Combustion Institute，2016.

[10]Dumitrache C，Vanosdol R，Limbach C，et al.Laser ignition of propane-air mixtures using a dual-pulse technique[C]//Aiaa Aerospace Sciences Meeting.2017.

[11]Yu Y，Li X，An X，et al.Stabilization of a premixed methane-air flame with a high repetition nanosecond laser-induced plasma[J].Optics&Laser Technology，2017，92：24-31.

[12]StephenR.Turns，燃燒學導論，概念與應用[M].清華大學出版社，2009.