0 引言

早在150多年前,热等离子体就开始被用于控制内燃机中的点火与燃烧^[1],然而直到20世纪末期,伴随着高超声速推进技术的发展以及对燃料利用率和排放控制要求的提高,传统火花塞点火方式已难以很好地适应该形势,因而非平衡等离子体辅助燃烧技术走入了人们眼帘。常见的用于辅助燃烧的非平衡等离子体发生方式包括纳秒脉冲放电、射频放电、滑动弧放电和微波放电等^[2-4],其中纳秒脉冲放电（nanosecond pulsed discharge, NPD）产生的非平衡等离子体优点尤为突出。它通过高压电源向放电空间输入电能,产生大量高能电子,这些电子经过碰撞能高效地形成大量基团、激发态粒子、离子,通过控制脉冲重复频率等放电参数能实现对等离子体产生的有效调节,并且放电体积较大、分布均匀、气体温度低、电极可运行时间长,因而十分有利于实现均匀可控的点火和燃烧,且保持较低的能耗^[5-8]。鉴于NPD等离子体众多优势,不少研究人员已尝试将之用于超燃冲压发动机^[9]、脉冲爆震发动机^[10]、汽车内燃机^[5]、航空发动机^[11]等动力装置中,表明其大有用武之地。

虽然NPD等离子体在较宽的工作条件下都显示出卓越的助燃性能,然而受制于等离子体本身的高度复杂性以及燃烧和等离子体二者相互作用机制的不确定性,在该技术涉及的基础理论及应用规律上还存在大量问题需要解决。另外,实验中如何精确测量相关参数,以及怎样准确模拟非平衡等离子体助燃都是当前研究的难题和重点^[12]。值得注意的是,近几年一些新兴燃烧技术的发展又为非平衡等离子体发挥作用提供了新的空间,例如无焰燃烧、超贫燃烧、低温燃烧都开始逐渐成为等离子体助燃应用的重点领域^[11]。此外,等离子体对燃烧不稳定现象的控制也吸引了一些学者的注意。以上这些既极大激发了人们对非平衡等离子体助燃技术的不懈追求,又带来了一系列挑战。

随着非平衡等离子体助燃技术的兴起,国际上每年召开的AIAA、IAF等大会上都包含了等离子体应用分会,国内在工程热物理年会、燃烧大会等会议上也增设了相关议题,并在近年发起了“高压放电与等离子体及应用”学术会议以更好地促进国内同行进行交流。本文旨在对2008—2016年以来国际上纳秒脉冲放电等离子体辅助燃烧技术相关研究进行综述,而不是罗列过去所有阶段、多种放电方式的相关研究。在简要介绍NPD等离子体助燃基本理论基础上,从其实验与应用方式、诊断技术、建模仿真3方面对近年来相关研究进行介绍与评述,并分析了未来研究面临的挑战和需求。

1 NPD等离子体助燃理论基础

作为物质第四态的等离子体是多种中性粒子和带电粒子的集合体,它整体呈电中性并具有集体行为特性,根据它内部电子温度与振动、转动温度的相互关系可以分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体^[2],纳秒脉冲放电产生的等离子体就属于后者。通过对电极间气体施加高压短脉冲就能产生NPD等离子体,如今电源的电压幅值能做到几十至几百kV,脉宽一般保持为几十或几百ns,重复频率可高达几十kHz,从而保证了在较大体积范围内产生等离子体。当前诸如内燃机、航空发动机等动力装置的点火和燃烧区域的粒子数密度都远大于地面常压条件,而与滑动弧、射频放电这类放电方式相比,NPD还有个特点,就是适用压力范围较宽,特别是能在较高压环境下发挥强化燃烧的作用^[13]。

目前学术界对等离子体助燃的机理基本达成了3点重要共识^[11,14-15],即等离子体从热效应、活化效应（动力学方面）和输运效应（气动方面）3个方面来干预燃烧过程。首先,燃烧反应实质是由众多基元反应构成的复杂链式反应,这过程包括了起链反应、链传递反应、链分支反应以及链中止反应,这中间就涉及了各种粒子的相互作用,而放电等离子体提供了丰富的活性粒子（包括电子、离子、中性基团、激发态原子与分子、中性原子和分子）,将之添加至燃烧过程,导致燃烧过程发生变化,从而达到改变点火延迟时间、影响火焰稳定范围等目的。其次,等离子体也会通过释放自身热量而在一定程度上改变燃烧场温度分布,由Arrhenius方程知,温度上升有利于增大化学反应速率。再次,通过等离子体改变燃料组分,并带来诸如离子风等冲击作用,能影响燃料与氧化剂的混合过程以及质量输运,从而影响到燃烧。由于NPD等离子体具有很高的电子温度（1~100 eV）,这些电子经过碰撞分解、激发等微过程以及之后的能量弛豫迅速形成了众多活性基团、离子和激发态粒子,使得等离子体的化学动力学活性更强^[16]。图1给出了实验测得的CPT和FID 2种品牌电源下的典型纳秒脉冲介质阻挡放电（nanosecond pulsed-dielectric barrier discharge, NP-DBD）波形^[17],CPT条件下波形为脉宽50 ns的双极性脉冲,FID条件下则先呈现10 ns的入射脉冲,随后还有2个反射脉冲。

图1 文献[17]实验中的电压波形 Fig.1 Experimental waveform of applied voltage in [17]

因为电子碰撞过程强烈依赖于平均电子能量,使得非平衡等离子体辅助燃烧的效果由等离子体本身属性,即电子温度和电子数密度来决定,而这两者又取决于约化场强大小,因此约化场强大小是关系到非平衡等离子体助燃的最核心参数之一,它定义为电场强度与粒子数密度的比值E/N^[18],单位是Td（1 Td=10^-17 V·cm²）。

考虑到不同发动机、燃烧器的内部工作温度、压力和组分都可能存在巨大差异,只有选择合理的放电电极构型、材料及电源控制参数,并在适当的位置、时刻施加非平衡等离子体,才能实现有效控制,因此需要对不同应用方式进行分析、归类,以掌握不同放电工作环境下的等离子体助燃规律。

2 实验与应用研究

纳秒脉冲等离子体应用范围广阔,既能改善汽车内燃机、飞机燃气轮机这类常规发动机,又可以用于超燃冲压发动机,在缩短点火延迟、降低点火温度阈值、稳定火焰及扩大熄火极限上发挥重要作用^[19]。众所周知,燃烧过程对初始气体温度非常敏感,而放电发展过程主要由气体粒子数密度决定,因此探讨等离子体辅助燃烧技术的应用问题必须同时考虑初始压力和温度,此处首先根据压力范围进行分类概述,然后重点分析了低温、超贫条件下的助燃研究,最后介绍了等离子体控制燃烧不稳定方面的成果。

2.1 低压及大气压条件下的助燃

据文献[13]中对当前众多纳秒脉冲放电辅助燃烧研究涉及的压力和温度环境的统计结果可知,在室温（300 K）条件下已开展的一系列实验的压力值涵盖了从低气压（0.13~1.33 kPa）到超高气压（3.0 MPa）的宽广范围,低气压下主要进行的是快速电离波引起可燃物氧化的实验,高气压下则是瞬态等离子体点火实验。绝大多数实验是在低于101 325 Pa下进行的,即气体密度小于标准大气压下的密度。

大多数实验开展于低压环境条件是因为随着气体密度增大,放电会逐渐趋于非均匀^[11]。而开展低压研究主要是为了更好地在大体积区域产生弥散态等离子体,以分析等离子体动力学效应^[20-21]。纳秒脉冲弥散放电中等离子体通道呈现相互交叠状^[22],研究表明它也能在大气压条件下产生并无需插入中间介质层,电流在安培量级^[23]。

为研究NPD等离子体对乙烷、丙烷燃烧动力学的影响,普林斯顿大学Ju等建立了来流预混的石英材质等离子体反应器^[16],如图2所示。来流速度保持1 m/s,试验区压力为7.9 kPa和26.7 kPa 2种工况,可见该条件下放电均匀弥散,并测量了不同当量比时O原子的含量。

此外,他们还搭建了一对冲火焰实验平台用以研究NPD等离子体强化碳氢燃料低温氧化和扩展火焰熄灭极限^[24]。实验中将一对燃烧器置于低压罐内,2者喷嘴出口距离为20 mm,并采用氩气环绕喷射作为保护气体;喷嘴材料为石英,一对平行放置的金属电极位于上喷嘴内部,电极间距10 mm,实验压力调节至7.9 kPa,该平台产生的火焰具有一维特性,便于和仿真研究相结合。不过近年来Sun等对该平台进行了改造^[11],将原本仅在上喷嘴放电的结构改为一对分别平行放置在上下喷嘴出口的网状电极,这样等离子体就直接和火焰耦合在一起。其不同放电频率f下拍摄的火焰如图3所示,总体上放电沿纵向比较均匀,且(d)、(e)工况出现了明显的等离子体射流。实验测量结果表明等离子体确实

图2 Ju的单脉冲放电图 Fig.2 Photo of Ju’s single pulsed discharge

图3 Sun的等离子体扩大对冲火焰熄灭极限实验 Fig.3 Sun’s experiments of plasma extended counter flow flame extinction limits

扩大了火焰熄灭极限,且频率越高效果越显著。同样是在该平台上,最近Starikovskiy等还发现这种电极布置方案放电属于介质阻挡放电形式^[25],因为放电在分层介质中发生,不过他们的实验处于开放的大气压环境。

来自俄亥俄州立大学的Adamovich团队则对3.3 kPa压力条件下的NPD等离子体与贫燃预混火焰间的作用进行了研究^[26-27],其实验平台同样是基于产生1维火焰的燃烧炉,放电构型为板-板式,这样也保证了等离子体与火焰的良好耦合,实验结果显示燃烧反应中间粒子OH、C₂、CH浓度都有所增强。此外,他们还开展了一种矩形流道内板-板型电极助燃研究^[17,28],该装置与Ju^[16]的类似,放电初始压力处于10.7~13.3 kPa范围,放电呈弥散态,研究发现受等离子体化学效应影响,不同位置的点火相互独立,且热输运作用可以忽略。以上几类实验都有几个共同点,即流场可以简化为低维的,等离子体与火焰能充分耦合,这些都使得其实验结果可以容易地与仿真进行对比。

低压条件下虽然可以产生很均匀的弥散态放电^[29-30],但对于脉冲爆震发动机等动力装置,其内部压力一般处于101 325 Pa左右,因此需要开展大气压条件下的NPD等离子体助燃研究。通过建立抬举火焰平台,Ombrello等研究了O₃的加热和动力学效应对火焰传播的影响^[31],实验中等离子体由介质阻挡放电方式在氧化剂端提前产生,然后喷入同轴式混合燃烧器,该实验条件下火焰传播速度提升了8%。此外,还有开展大气压条件下针-针式放电等离子体加热与水力学效应的研究^[32]。

非平衡等离子体不仅可以增大火焰传播速度、提高熄灭极限,也能实现较宽当量比范围的点火,这方面的研究以瞬态等离子体起爆（transient plasma ignition, TPI）最具代表性。如图4所示,TPI放电装置主要包括中心阳极、阳极绝缘套和阴极,高压脉冲电源连接阳极,壁面作阴极,构型2是在构型1的基础上利用4个对称布置的螺丝增强局部放电,以研究电场和活性粒子浓度分布对起爆的影响^[33]。瞬态等离子体主要由大量流注组成,它所消耗的能量与传统火花塞相当,不论是静止还是流动的气体中都能发挥作用,目前研究都显示对于碳氢燃料,采用TPI比传统火花塞点火延迟更短^[10,34-35]。

2.2 中高压条件下的助燃

不同于临近空间吸气式发动机内的大气压及

图4 TPI装置 Fig.4 TPI devices

低压环境,最为常用的汽车内燃机点火燃烧压力环境则高得多,这吸引了一些汽车公司和大学团队开展中高压条件下的NPD等离子体助燃研究。以Nissan公司为代表,通过与普林斯顿大学Starikovskiy教授合作,于2010年开始探索在内燃机这种高温、高压条件下等离子体助燃技术的应用^[36-37]。他们将设计的NP-DBD点火器应用于单缸汽油发动机中,并与常规火花塞点火器对比,发现当放电气体压力较高时非平衡等离子体具有比火花塞短的点火延迟,而在低密度气体条件下非平衡等离子体点火延迟时间随气体密度降低迅速上升。

快速压缩机平台也常被选为检验NPD等离子体高压条件下的点火能力^[13],一般其燃烧室压力可调节至4 MPa。目前一些相关试验多采用表面DBD,其在高压下或发展为流注或变为火花,且特定DBD几何构型有助于在高气体密度下形成长火花。有研究指出当放电能量为20~50 mJ时,点火延迟时间至少能减小2个数量级^[38];Boumehdi等在快速压缩机燃烧内（0.6~1.6 MPa、600~1 000 K）采用NP-DBD等离子体成功点燃了甲烷混合气体和正丁烷混合气体,认为径向对称的等离子体通道对可燃气体实施了有效的多点点火^[39]。文献[13]指出瞬态放电是常温、高气压条件下较为可行的等离子体发生方式,它可由纳秒脉冲（利用脉宽限制放电电流）、介质阻挡或者2者的结合来实现;当气压升高后NP-DBD放电模式从多流注向多丝状转变,见图5,不过此处2种模式都不会发展为火花。

总的来看,当前公开发表的研究基本都选择了

NP-DBD作为高压条件下的助燃放电方式,且认为多流注模式下的多点点火十分有效,然而受制于电压幅值上限和流注在高压下向丝状模式转变,其优势还需要更多实验来论证。

2.3 等离子体辅助非常规燃烧

高空涡轮发动机再点火、脉冲爆震发动机和均质压燃点火发动机等都面临恶劣的超贫、低温燃烧环境,非平衡等离子体能否在如此困难的条件下有效点火及燃烧十分关键。

1）超贫燃烧

以层流预混甲烷/空气火焰为例^[40]当当量比低于贫燃可燃极限时,NPD等离子体因具有高温和活性基团效应而发挥了火焰稳定器的作用。文献[28]对矩形流道预混气体施加板-板NPD放电的研究中考虑了4组气体混合——氢气-空气、甲烷-空气、乙烯-空气、丙烷-空气,实验中4者的最低当量比分别为0.015、0.03、0.05、0.04,施加爆发式脉冲放电后的OH基测量结果表明不同混合气在等离子体影响下原来的当量比特性发生了变化。

2）低温燃烧

低温燃烧相关实验是近几年才在普林斯顿大学的对冲火焰试验台上展开的,涉及的燃料包括甲烷和二甲醚,依旧采用了网状板-板式电极对火焰施加纳秒脉放电,重要的成果有^[41-42]：利用NPD能极其显著地加速低温点火过程,甚至导致常规的点火-熄灭S曲线转变为一条没有熄灭极限的点火-熄灭曲线;NPD等离子体显著加速了冷火焰化学反应过程,使得在大气压条件下也能建立自持稳定的扩散和预混火焰,图6即为101 325 Pa条件下的冷扩散火焰与常规扩散火焰照片;对丙烷-空气的多阶段点火和负温度系数行为的研究显示等离子体还能加速冷火焰点火。

当前一大重要工作就是对多种燃料和混合气体的低温动力学过程进行分析^[42]。例如文献[43]就指出,低温条件下,气体电离和电子-离子复合会诱发快速气体加热、热原子、电子激发态基团和离子链的发展,这些过程虽然在高温条件下不重要,但低温时能起到关键作用,比如300 K时O₂^-+H→OH^-+O的反应速率竟是O₂+H→OH+O的11倍之多。

3）无焰燃烧

无焰燃烧是最近十余年国际燃烧领域发展的一种新型燃烧方式,与局部高温的有焰燃烧相比,它的火焰完全消失且无声无息,有助于降低污染物NO_X和CO等的排放,燃料热利用率大大提升,在使用低热值燃料方面也有明显优势^[44]。但是无焰燃烧要求很高的预热温度和燃料/空气稀释度,导致存

图5 纳秒脉冲介质阻挡放电 Fig.5 DBD of NPD

图6 2种火焰照片 Fig.6 Photos of two kinds of flame

在化学诱导的火焰不稳定现象发生,而NPD等离子体在控制燃烧、实现火焰稳定方面具有潜力,可以通过热和动力学效应来达到扩展低温、低浓度下的无焰燃烧。当前Ju等建立了一个3通道同轴射流式燃烧器来研究等离子体化学作用对无焰燃烧的影响^[45],燃烧器预热温度仅为1 050 K时就在NPD等离子体作用下形成了无焰燃烧。

2.4 等离子体控制燃烧不稳定

燃烧不稳定性问题在燃气轮机贫燃预混燃烧、液体火箭发动机中都存在,它一般是发生在燃烧室中释热率与声学模态相互耦合的条件下,会引起一些难以承受的严重危害,比如巨大的噪声、过度热传递而毁坏部件结构等^[46]。因此,在大多数情况下即使付出高昂的代价也要解决这一问题。传统的解决措施包括在燃烧室设置声腔、隔板等,但是面对复杂、宽广的工况,其主动适应能力十分有限。NPD等离子体在燃烧控制方面已经展现了卓越的能力,尤其是它可以工作在高频状态下对燃烧场进行激励,从而为燃烧系统的调节提供了反馈控制手段。

作为对NPD等离子体控制燃烧不稳定性的初步探索,法国国家科学院的Lacoste等将NPD用于弱湍流贫燃预混丙烷-空气火焰^[47],采用一对针状电极在钝头体下游回流区放电,其脉冲重复频率最高达80 kHz,输入等离子体电功率仅占不到1%的火焰热功率,却实现了对火焰抬升距离的良好调控,故认为这一火焰动态控制能力能用于燃烧不稳定性的控制,不过该实验下的雷诺数及压力条件离实际发动机还有很大差距。作为液体火箭发动机燃烧不稳定性研究领域先驱的美国普度大学近来也在开展等离子体控制燃烧不稳定性的研究^[48],他们考虑到贫燃直喷燃烧室内的燃烧不稳定多属于中频不稳定（约1 kHz量级）,设计了2套电路系统：1套为高能高功率放电,然而工作频率约为50 Hz;另1套为高频放电,频率可达12 kHz,但是总功率和电极间距较小,实验显示在高于大气压条件下放电也能改变输入气体的最大功率和能量。此外,在改善某甲烷-空气预混鼓形燃烧室的力学和火焰不稳定性方面Kim等也取得了不错的成果,在NPD作用下火焰长度缩短了约40%,燃烧室最高压力震荡水平降低约25 dB,燃烧效率有所增加而NO_x排放量变化很小^[49]。

3 等离子体助燃中的诊断与仿真技术

3.1 放电与燃烧诊断

掌握等离子体属性是分析等离子体辅助燃烧的基础。实验中宏观的诊断方法可以借助快速照相技术获得直观的等离子体演化图像;激光探针技术则可以用于分析等离子体空间密度分布^[50]。而对等离子体微观核心测量则包括了电子数密度、电子温度以及电场参数,前两者的测量结果对于验证反应动力学模型尤为关键。

电子数密度和电子温度的时空分布可以由汤姆逊散射^[51]方法获得,它属于非接触点式测量技术,结果准确度较高,但当等离子体的自由电子数密度很低时散射信号强度很弱,受到一定限制。发射光谱技术（optical emission spectroscopy,OES）装置相对简单,也能够获得电子数密度和温度信

息^[52]。约化场强通过影响等离子体能量沉积,进而决定了自由电子的能量,其中需要测量的量就有电场强度E。Yatom等运用相干反斯托克斯拉曼散射方法成功测量了约0.2 MPa下的纳秒脉冲放电氢等离子体通道电场强度^[53],该方法基于相干红外辐射形成原理,分子偶极矩受电场诱导,使得在偶极附近发生红外振动跃迁。Starikovskaia等通过测量氮的N₂(C³Π_u)-N₂(B²Π_g)第二正和N₂⁺(B²Σ_u⁺)-N₂⁺(X²Σ_g⁺)第一负的相对强度,获得了表面DBD电场强度^[2],这是利用氮系发射光谱间接测得的电场强度。

放电过程中一个重要的过程就是电子碰撞。电子碰撞会产生大量离子、激发态和基态原子、分子、基团等,它们都参与了放电反应动力学过程,对燃烧过程也有影响,测量这些粒子时空分布是掌握非平衡等离子体助燃机理的基础。以几个重要的激发态粒子为例^[54]：O₂(a¹Δ_g)的粒子数密度可以通过紫外吸收光谱、发射光谱技术和集成腔输出光谱（integrated cavity output spectroscopy,ICOS）测得;N₂(C³Π_u)则可利用腔衰荡光谱（cavity ring down spectroscopy,CRDS）与发射光谱仪结合测量。对中性基团（例如O、H、OH）多采用单双光子激光诱导荧光技术^[11],如果仅单个光子被吸收产生激发,就成为激光诱导荧光（laser induced fluorescence,LIF）,如果是2个光子被吸收以激发粒子至更高能级,则称为双光子吸收激光诱导荧光（two-photon absorption LIF,TALIF）。作为冷火焰的化学反应标志性组分,CH₂O对该类燃烧过程影响不容忽略,可以采用平面激光诱导荧光（planar LIF）技术测量;低温燃料氧化过程中的重要粒子HO₂则可利用法拉第旋转光谱技术获得定量分布结果^[42]。H₂O、CH₄、C₂H₂这类稳定组分的瞬态浓度分布可由中红外激光吸收光谱获得。

分析等离子体助燃过程流场温度方面,传统的热电偶作为一种广泛应用于燃烧领域的温度测量装置,虽然较为精确、十分便捷,但不适合于放电等离子体存在的环境。例如强电场的存在会与热电偶发生相互作用,导致无法直接测量当地温度。考虑到气体工质发生电离及对象的非定常性,温度测量极具挑战。目前提出的先进温度测量手段主要是平面瑞利散射测温、相干反斯托克斯拉曼散射测温和NO-LIF测温^[11,55]。

实际上,纳秒脉冲放电会引起高强度电磁辐射及噪声,极大地干扰测量设备,给放电与燃烧诊断带来巨大的挑战,然而大多数等离子体助燃文献未对解决方法进行说明。目前对电流、电压信号的测量可以采用软阈值小波降噪法减小信号干扰,并通过运算对被测信号进行补偿^[56-57],通过严格的屏蔽措施和降噪处理,有望为准确诊断创造条件。

3.2 等离子体助燃仿真研究

数值仿真能为深入理解等离子体助燃提供支持,是与实验研究同样重要的手段。关于空气中放电等离子体建模和单纯的燃烧模拟方面的研究已相对比较丰富^[1,11,58-60],其中放电等离子体仿真模型可概括为唯象学模型、等离子体流体模型、动力学粒子网格-蒙特卡洛模型以及混合模型4种^[61],而当前关注的核心是实现可靠的等离子体助燃仿真。由于放电,尤其是NPD与燃烧这2个物理化学过程时间尺度一般差距很大,涉及到的微观过程繁多,这对建立仿真模型提出了很高的要求。

目前较流行的做法是将已知的一种或几种放电等离子体中的活性粒子直接添加至燃烧化学反应当中,以此模拟等离子体助燃过程^[62-64],虽然这样仅能得到定性的结果,但是对于初步分析不失为一种快捷可行的方法。还有一类做法是利用放电计算程序诸如ZDPlaskin与Chemkin II耦合求解等离子体辅助燃烧过程,仿真中可考虑中性粒子、激发态粒子、电子和离子,这些仿真模型为0维,主要用于分析助燃的动力学机理,可以在一定程度上得到定量的结果^[35,65-67]。也有少量研究采用了准1维模型,即将0维放电结果与1维流动燃烧仿真相结合,假设活性粒子在1维模型放电区域中均匀分布^[67]。更高维度的仿真还较少,比如文献[68]建立了2维氢-空气放电模型,虽然仿真中同时研究了纳秒脉冲火花放电热效应和化学效应对点火的影响,但其建模中假设了氢-空气具有和空气一样的放电热效应和动力学机理;文献[69]则将1维介质阻挡放电模拟与2维爆震燃烧模拟松耦合求解,分析了非平衡等离子体对起爆的影响,但放电计算未能考虑气体快速加热效应。另外,还有1类基于热效应的多维等离子体辅助燃烧仿真^[34,70-71],基本方法是仅将整个等离子体区域设为均匀高温区域,以源项或边界条件形式添加至不同维度的反应流场中。

从上述研究看出,在等离子体助燃仿真中建立可靠的放电反应动力学机理是最核心的任务之一。以氢燃料、小分子碳氢燃料在氧气和空气中的燃烧为例,其中高温、中低压条件下的燃烧化学反应动力学机理已比较完善,缺乏的主要是放电反应动力学机理。在建立等离子体助燃动力学机理方面,由美国空军研究实验室牵头的多大学合作等离子体助燃研究计划^[72]在宾州、普林斯顿和俄亥俄州同步展开,项目以扩展高压、低温环境下燃烧模型的适应性为目标,拟针对小分子碳氢开发一个名为 “HP-Mech/plasma”的全面的高压等离子体燃烧机理。此外,法国国家科学院、巴黎中央理工、图卢兹大学^[32,68,73]也在开发相关机理上做出了重要贡献,搜集建立了部分气体放电反应及参数数据库。

4 面临的挑战与展望

虽然大量研究已经显示出NPD等离子体在点火、燃烧、排放控制及燃料重整方面的能力,但是考虑到实际应用背景,还有太多细节需要深究,当前存在的挑战主要表现在：1）对非平衡等离子体-燃烧相互作用机制还没有完全掌握,因为不同压力、温度、气体组分配比以及放电参数都对等离子体及燃烧产生影响,并且NPD等离子体同时具有热效应、动力学效应等,各种效应相互耦合,如何解耦它们是认清等离子体-燃烧相互作用机制的基础;2）要建立准确、全面的等离子体-燃烧反应动力学机理,这其中涉及到实验与仿真的结合,为了定量分析,相关机理必须得到实验验证,而设计的实验必须足够巧妙,以便于仿真;3）需研发工作频率更宽、脉宽更窄、电压幅值更高的稳定的NPD电源^[74],当前国际上口碑比较好的此类电源也仅有德国生产的FID脉冲电源,这对相关研究的影响是最直接的;4）需处理好纳秒脉冲放电所导致的高强度电磁辐射对实验和监控设备的影响,并根据具体应用对象综合权衡利弊;5）需开展液态燃料NPD等离子体助燃研究,液相等离子体是近十多年提出的一个概念,鉴于液态碳氢燃料是航空航天飞行器的主要推进剂,研究NPD等离子体对这类液态燃料的影响意义重大,然而较气相放电,目前还非常缺乏相关理论模型,甚至放电过程的击穿电压、伏安特性曲线等都难以准确测量^[75]。

随着人类对更高燃烧效率、更低尾气排放等方面的不懈追求,超贫、低温、无焰等新型燃烧正进入人们眼帘。根据已知的NPD等离子体影响燃烧机制,相信将其应用于这类新型燃烧方式上有望带来燃烧技术的飞跃,并且通过这些领域的交叉研究又能促进对等离子体辅助燃烧内在机理的认识。还应注意到NPD等离子体在解决燃烧不稳定问题方面也具有很大潜力,通过调节放电系统输入等离子体的能量和脉冲重复频率等参数,能改变燃烧室的动态特性,可以预见这也是其未来应用的重点方向之一。

参考文献

[1] STARIKOVSKIY A, ALEKSANDROV N.Plasma-assisted ignition and combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2013, 39(1): 61-110.

[2] STARIKOVSKAIA S M.Plasma assisted ignition and combustion[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, 39(16): 256-299.

[3] 陈思乐,许桂敏,穆海宝,等. 低温等离子体处理柴油机尾气的研究进展[J]. 高压电器,2016,52(4):22-29. CHEN Sile, XU Guimin, MU Haibao, et al.Research progress in treatment of diesel engine exhaust by non-thermal plasmas[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(4): 22-29.

[4] ZHANG C, SHAO T, YAN P, et al.Nanosecond-pulse gliding discharges between point-to-point electrodes in open air[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2014, 23(3): 035004.

[5] TAKANA H, NISHIYAMA H.Numerical simulation of nanosecond pulsed DBD in lean methane-air mixture for typical conditions in internal engines[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2014, 23(3): 034001.

[6] 邵涛,章程,王瑞雪,等. 大气压脉冲气体放电与等离子体应用[J]. 高电压技术,2016,42(3):685-705. SHAO Tao, ZHANG Cheng, WANG Ruixue, et al.Atmospheric-pressure pulsed gas discharge and pulsed plasma application[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 685-705.

[7] 章程,邵涛,龙凯华,等. 大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究[J]. 电工技术学报,2010,25(1):30-36. ZHANG Cheng, SHAO Tao, LONG Kaihua, et al.Uniform of unipolar nanosecond pulse DBD in atmospheric air[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(1): 30-36.

[8] 张凯,王瑞雪,韩伟,等. 等离子体重油加工技术研究进展[J]. 电工技术学报,2016,31(24):1-15. ZHANG Kai, WANG Ruixue, HAN Wei, et al.Progress of heavy oil processing by plasma technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(24): 1-15.

[9] DO H, CAPPELLI M A, MUNGAL M G.Plasma assisted cavity flame ignition in supersonic flows[J]. Combustion and Flame, 2010, 157(9): 1783-1794.

[10] STARIKOVSKIY A, STARIKOVSKIY N, RAKITIN A.Plasma-assisted ignition and deflagration-to-detonation transition[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2012, 370(1960): 740-773.

[11] JU Y, SUN W.Plasma assisted combustion: dynamics and chemistry[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2015, 48(1): 21-83.

[12] ADAMOVICH I V, LEMPERT W R.Challenges in understanding and predictive modeling of plasma assisted combustion[C]∥53rd AIAA Aerospace Science Meeting. Kissimmee, USA: AIAA, 2015: 0155.

[13] SHCHERBANEV S A, LEPIKHIN N D, KLOCHKO A V, et al.High-pressure nanosecond discharges for plasma-assisted combustion[C]∥53rd AIAA Aerospace Science Meeting. Kissimmee, USA: AIAA, 2015: 0412.

[14] LEONOV S B.Control of flow structure and ignition of hydrocarbon fuel in cavity and behind wallstep of supersonic duct by filamentary DC discharge[R]. Mocscow, Rusia: AFRL, 2010.

[15] STARIKOVSKIY A, ALEKSANDROV N.Plasma-assisted combustion mechanism for hydrogen and small hydrocarbons[C]∥54th AIAA Aerospace Science Meeting. San Diego, USA: AIAA, 2016: 191.

[16] UDDI M, GUO H, SUN W, et al.Studies of C₂H₆/ air and C₃H₈/ air plasma assisted combustion kinetics in a nanosecond discharge[C]∥49th AIAA Aerospace Science Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Orlando, USA: AIAA, 2011: 970.

[17] NAGARAJA S, YANG V, YIN Z, et al.Ignition of hydrogen-air mixtures using pulsed nanosecond dielectric barrier plasma discharges in plane-to-plane geometry[J]. Combustion and Flame, 2014, 161(4): 1026-1037.

[18] RAIZER Y P.Gas discharge physics[M]. Heidelberg, Germany: Springer, 1991.

[19] NAGARAJA S, SUN W, YANG V.Effect of non-equilibrium plasma on two-stage ignition of n-heptane[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3497-3504.

[20] 田学敏,田希晖,车学科,等. 不同气压下纳秒脉冲的放电特性[J]. 高电压技术,2016,42(3):813-820. TIAN Xuemin, TIAN Xihui, CHE Xueke, et al.Nanosecond pulse discharge characteristics under different pressure[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 813-820.

[21] GU J W, ZHANG C, WANG R X, et al.Improvement of spatial uniformity of nanosecond-pulse diffuse discharge in a multi-needle-to-plane gap[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(3): 203-235.

[22] SHAO T, ZHANG C, NIU Z, et al.Diffuse discharge, runaway electron, and X-ray in atmospheric pressure air in an inhomogeneous electrical field in repetitive pulsed modes[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(2): 021503.

[23] 章程,邵涛,严萍. 大气压下纳秒脉冲弥散放电[J]. 科学通报,2014,59(20):1919-1926. ZHANG Cheng, SHAO Tao, YAN Ping.Nanosecond-pulse diffuse discharges at atmospheric pressure[J]. China Science Bulletin, 2014, 59(20): 1919-1926.

[24] SUN W, UDDI M, WON S H.Kinetic effects of non-equilibrium plasma-assisted methane oxidation on diffusion flame extinction limits[J]. Combustion and Flame, 2012, 159(1): 221-229.

[25] GUERRA-GARCIA C, MARTINEZ-SANCHEZ M, MILES R B, et al.Localized pulsed nanosecond discharges in a counterflow nonpremixed flame environment[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2015, 24(5): 055010.

[26] LI T, ADAMOVICH I V, SUTTON J A.A new plasma-flame facility for spectroscopic investigations of the effects of plasmas on high-temperature oxidation and combustion chemistry[C]// 50th AIAA Aerospace Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville, USA: AIAA, 2012: 379.

[27] NAGARAJA S, LI T, SUTTON J A, et al.Nanosecond plasma enhanced H2/O2/N2 premixed flat flames[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3471-3478.

[28] YIN Z, MONTELLO A, CARTER C D.Measurements of temperature and hydroxyl radical generation/decay in lean fuel-air mixtures excited by a repetitively pulsed nanosecond discharge[J]. Combustion and Flame, 2013, 160(9): 1594-1608.

[29] 胡文,李黎,刘云龙,等. 纳秒脉冲激励下大气压空气弥散放电电流特性的实验研究[J]. 中国电机工程学报,2015,35(16):4263-4270. HU Wen, LI Li, LIU Yunlong, et al.Experimental study on current characteristics of nanosecond-pulse diffuse discharge in atmospheric pressure air[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(16): 4263-4270.

[30] 顾建伟,章程,王瑞雪,等. 不同条件下大气压脉冲弥散放电特性[J]. 强激光与粒子束,2016,28(1):151-159. GU Jianwei, ZHANG Cheng, WANG Ruixue, et al.Characteristics of pulsed diffuse discharges under different conditions in atmospheric air[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28(1): 151-159.

[31] OMBRELLO T, WON S H, JU Y, et al.Flame propagation enhancement by plasma excitation of oxygen. part I: effects of O₃[J]. Combustion and Flame, 2010, 157(10): 1906-1915.

[32] XU D A, SHNEIDER M N, LACOSTE D A, et al.Thermal and hydrodynamic effects of nanosecond discharges in atmospheric pressure air[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2014, 47(23): 235202.

[33] PENDLETON S J.An experimental investigation by optical methods of the physics and chemistry of transient plasma ignition[D]. Los Angeles, USA: University of Southern California, 2012.

[34] 于锦禄,何立明,丁未,等. 瞬态等离子体点火和火花塞点火起爆过程的对比研究[J]. 推进技术,2013,34(11):1575-1579. YU Jinlu, HE Liming, DING Wei, et al.Comparative investigation on detonation initiation process of transient plasma ignition and spark ignition[J]. Journal of Propulsion Technology, 2013, 34(11): 1575-1579.

[35] LEFKOWITZ J K, GUO P, OMBRELLO T, et al.Schlieren imaging and pulsed detonation engine testing of ignition by a nanosecond repetitively pulsed discharge[J]. Combustion and Flame, 2015, 162(6): 2496-2507.

[36] SHIRAISHI T, URUSHIHARA T.Fundamental analysis of combustion initiation characteristics of low temperature plasma ignition for internal combustion gasoline engine[R]. Tokyo, Japan: SAE Technic Paper, 2011.

[37] CORREALE G, RAKITIN A, NIKIPELOV A, et al.Non-equilibrium plasma ignition for internal combustion engines[R]. Tokyo, Japan: SAE Technic Paper, 2011.

[38] RAKITIN A, NIKIPELOV A, STARIKOVSKIY A.Ignition of hydrocarbon-air mixtures with non-equilibrium plasma at elevated pressures[C]∥51st AIAA Aerospace Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Grapevine, USA: AIAA, 2013: 1054.

[39] BOUMEHDI M A, STEPANYAN S, DESGROUX P.Ignition of methane- and n-butane-containing mixtures at high pressures by pulsed nanosecond discharge[J]. Combustion and Flame, 2015, 162(4): 1336-1349.

[40] BAK M S, DO H, MUNGAL M G, et al.Plasma-assisted stabilization of laminar premixed methane/air flames around the lean flammability limit[J]. Combustion and Flame, 2012, 159(10): 3128-3137.

[41] JU Y, LEFKOWITZ J K, WADA T, et al.Plasma assisted combustion: new combustion technology and kinetic studies[C]// 53rd AIAA Aerospace Science Meeting. Kissimmee, USA: AIAA, 2015: 0156.

[42] JU Y, LEFKOWITZ J K, REUTER C B, et al.Plasma assisted low temperature combustion[J]. Plasma Chemistry and Plasma Process, 2016, 36(1): 85-105.

[43] STARIKOVSKIY A.Physics and chemistry of plasma-assisted combustion[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2015, 373(2048): 20150074.

[44] CAVALIERE A, JOANNON M.Mild combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30(4): 329-366.

[45] WADA T, LEFKOWITZ J K, JU Y.Plasma assisted mild combustion[C]// 53rd AIAA Aerospace Science Meeting. Kissimmee, USA: AIAA, 2015: 0666.

[46] YANG V, ADERSON W E.液体火箭发动机燃烧不稳定性[M]. 北京:科学出版社,2001. YANG V, ADERSON W E.Combustion instability in liquid rocket engines[M]. Beijing, China: Science Press, 2001.

[47] LACOSTE D A, XU D A, MOECK J P.Dynamic response of a weakly turbulent lean-premixed flame to nanosecond repetitively pulsed discharges[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 3259-3266.

[48] D’ENTREMONT J H, GEJJI R, VENKATESH P B. Plasma control of combustion instability in a lean direct injection gas turbine combustor[C]∥52nd AIAA Aerospace Science Meeting. National Harbor, USA: AIAA, 2014: 0622.

[49] KIM W, SNYDER J, JEFFREY C.Plasma assisted combustor dynamics control[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3479-3486.

[50] 李兴文,魏文赋,吴坚,等. 激光诱导等离子体光学诊断方法研究综述[J]. 高电压技术,2015,41(6):1788-1797. LI Xingwen, WEI Wenfu, WU Jian, et al.Review of optical diagnostics methods for the laser produced plasmas[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(6): 1788-1797.

[51] ROETTGEN A, SHKURENKOV I, ADAMOVICH I, et al.Thomson scattering studies in He and He/H₂ nanosecond pulsed nonequilibrium plasmas[C]// 52nd AIAA Aerospace Sciences Meeting. National Harbor, USA: AIAA, 2014: 1358.

[52] 杜宏亮,何立明,丁伟,等. 等离子体助燃激励器介质阻挡放电发射光谱分析[J]. 高压电器,2010,46(12):14-17. DU Hongliang, HE Liming, DING Wei, et al.Emission spectrum analysis of DBD from plasma combustion-supporting actuator[J]. High Voltage Apparatus, 2010, 46(12): 14-17.

[53] YATOM S, TSKHAI S, KRASIK Y.Electric field in a plasma channel in a high pressure nanosecond discharge in hydrogen: a coherent anti-stokes Raman scattering study[J]. Physical Review Letters, 2013, 111(25): 255001.

[54] RYO O.Optical diagnostics of reactive species in atmospheric-pressure nonthermal plasma[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2016, 49(8): 083001.

[55] PENDLETON S.An experimental investigation by optical methods of the physics and chemistry of transient plasma ignition[D]. Los Angeles, USA: University of Southern California, 2012: 37-53.

[56] 邵涛,潘洋,王珏,等. 高压重复频率纳秒脉冲下电信号的测量与诊断[J]. 强激光与粒子束,2005,17(4):603-608. SHAO Tao, PAN Yang, WANG Jue, et al.Measurement and diagnostics of electrical signals under high voltage repetitive nanosecond-pulses[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2005, 17(4): 603-608.

[57] 何堃,庞磊,狄东旭,等. 气流环境中纳秒脉冲沿面介质阻挡放电的特性[J]. 中国电机工程学报,2015,35(16):4254-4263. HE Kun, PANG Lei, DI Dongxu, et al.Characteristics of nanosecond pulse surface dielectric barrier discharge in air flow[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(16): 4254-4263.

[58] 荣命哲,刘定新,李美,等. 非平衡态等离子体的仿真研究现状与新进展[J]. 电工技术学报,2014,29(6):271-282. RONG Mingzhe, LIU Dingxin, LI Mei, et al.Research status and new progress on the numerical simulation of non-equilibrium plasmas[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 271-282.

[59] 徐双艳,李江,蔡晋生,等. 二维对称结构纳秒脉冲介质阻挡放电数值模拟[J]. 高电压技术,2015,41(6):2100-2107. XU Shuangyan, LI Jiang, CAI Jinsheng, et al.Modeling of the two-dimensional nanosecond DBD discharge with symmetry electrodes[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(6): 2100-2107.

[60] 车学科,周思引,聂万胜,等. 氢氧混合气等离子体助燃放电过程模拟[J]. 高电压技术,2015,41(6):2054-2059. CHE Xueke, ZHOU Siyin, NIE Wansheng, et al.Discharge simulation in mixtures of hydrogen and oxygen for plasma assisted combustion[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(6): 2054-2059.

[61] 欧阳吉庭,张宇,秦宇. 微放电及其应用[J]. 高电压技术,2016,42(3): 673-684. OUYANG Jiting, ZHANG Yu, QIN Yu.Micro-discharge and its applications[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 673-684.

[62] WANTANABE J, TAKITA K.Interaction between shock waves, hydrogen flame and plasma jet in supersonic flow[C]∥16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. Bremen, Germany: AIAA, 2009: 7208.

[63] ALEKSANDROV N L, KINDYSHEVA S V, KUKAEV E N, et al.Simulation of the ignition of a methane-air mixture by a high-voltage nanosecond discharge[J]. Plasma Physics Reports, 2009, 35(10): 867-882.

[64] 刘小龙,王海兴. 氧原子对反向流动扩散火焰影响的模拟研究[J]. 工程热物理学报,2013,34(8):1494-1496. LIU Xiaolong, WANG Haixing.Numerical study of atomic oxygen effects on the counterflow diffusion flames[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(8): 1494-1496.

[65] 刘定新,李嘉丰,马致臻,等. 空气沿面介质阻挡放电中活性粒子成分及其影响因素[J]. 高电压技术,2016,42(2):421-427. LIU Dingxin, LI Jiafeng, MA Zhizhen, et al.Reactive species in surface micro-discharge in air and their influencing factors[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(2): 421-427.

[66] STARIKOVSKAYA S M, ALEKSANDROV L N, KOSAREV N I, et al.Ignition with low-temperature plasma: kinetic mechanism and experimental verification[J]. High Energy Chemistry, 2009, 43(3): 213-218.

[67] HAN J, YAMASHITA H.Numerical study of effect of non-equilibrium plasma on the ignition delay of a methane-air mixture using detailed ion chemical kinetics[J]. Combustion and Flame, 2014, 161(8): 2064-2072.

[68] THOLIN F, LACOSTE D A, BOURDON A.Influence of fast-heating processes and O atom production by a nanosecond spark discharge on ignition of a lean H₂-air premixed flame[J]. Combustion and Flame, 2014, 161(5): 1235-1246.

[69] ZHOU S, WANG F, CHE X, et al.Numerical study of nonequilibrium plasma assisted detonation initiation in detonation tube[J]. Physics of Plasmas, 2016, 23(12): 123522.

[70] 周思引,车学科,聂万胜. 纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体对超声速燃烧室中凹腔性能的影响[J]. 高电压技术,2014,40(10):3032-3037. ZHOU Siyin, CHE Xueke, NIE Wansheng.Influence of nanosecond pulse dielectric barrier discharge plasma on the cavity performance in scramjet combustor[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(10): 3032-3037.

[71] ZHOU S, NIE W, CHE X.Numerical modeling of quasi-dc plasma-assisted combustion for flame holding cavity[J]. Combustion Science and Technology, 2016, 188(10): 1640-1654.

[72] LEMPERT W R.An overview of the AFOSR plasma MURI program: fundamental mechanisms, predictive modeling, and novel aerospace applications of plasma assisted combustion[C]∥53rd AIAA Aerospace Science Meeting. Kissimmee, USA: AIAA, 2015: 0154.

[73] HAGELAAR G J M, PITCHFORD L C. Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2005, 14(4): 722-733.

[74] 姜立秋,王之江,俞斌,等. Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制[J]. 强激光与粒子束,2015,27(1):015001. JIANG Liqiu, WANG Zhijiang, YU Bin, et al.Repetitive nanosecond pulse generator based on Tesla transformer[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(1): 015001.

[75] 李和平,于达仁,孙文廷,等. 大气压放电等离子体研究进展综述[J]. 高电压技术,2016,42(12):3697-3727. LI Heping, YU Daren, SUN Wenting, et al.State-of-the-art of atmospheric discharge plasmas[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3697-3727.