预混甲烷/空气激光等离子体点火火焰传播与发展过程研究

陈 梦，窦志国，史增凯，张玉坤

（航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

0 引言

在航空航天领域，超声速和高超声速飞行器得到了广泛的应用，对超燃冲压发动机和火箭发动机来说，燃烧室入口气流速度快，燃料在燃烧室内的驻留时间短，导致燃料在燃烧室内的燃烧不够充分，燃料利用率较低。此外，真空、低温、强激波和高湍流度等极端条件的存在也大大增加了点火的难度，利用常规点火方式很难实现稳定点火。因此，人们迫切寻找一种清洁、高效的新型点火方式。

激光等离子体点火 （laser induced plasma ignition，LIPI）是通过透镜将激光聚焦到混合燃气中，当焦点处的激光功率密度高于气体击穿阈值（约1010W/cm2）时[1]，气体分子经过多光子电离和雪崩电离等过程诱导产生高温等离子体辅助燃烧。与传统电火花塞点火相比，LIPI具有可控性好、NOx排放量低、无侵入式结构等优点。此外，在同样大小的点火能量下LIPI过程产生初始火焰核的体积要大于电火花点火产生初始火焰核的体积[2]，能够有效提高点火成功率。因此，在激光器的轻量化和小型化研究取得一定进展后[3]，LIPI技术有取代传统电火花点火的潜力。

通过对火焰的形态演变过程进行观测，可以探究点火条件对LIPI过程的影响，对于提高LIPI成功率具有很高的研究价值。国内外关于LIPI的研究多集中于点火特性研究，如最小点火能量[4，5]、点火延迟时间[6，7]等，而对于LIPI火焰的传播与发展过程关注较少。Morsy等[8]通过对H2/空气混合燃气多点激光等离子体点火的火焰传播与发展过程进行观测，发现多点同步点火能够增大火焰体积，提高燃烧速度，这与Nakaya等[9]的结论一致。Dumitrache等[10]在LIPI开始前利用波长为266nm的单脉冲紫外激光对丙烷/空气预混燃气进行预电离处理，发现点火过程中未出现第三瓣结构，燃烧过程更加稳定。Yu等[11]对连续脉冲激光诱导等离子体点火的火焰稳定性展开研究，发现增大脉冲激光频率能够提高火焰稳定性和燃烧效率。

本文针对LIPI过程的影响因素，从火焰传播与发展的角度对不同点火位置、当量比和入射激光能量下甲烷/空气预混燃气的LIPI进行了实验研究，获得了不同点火条件下LIPI的点火成功率和火焰发展图像，从燃烧反应机理的角度对部分实验现象进行了解释。

1 实验系统及方法

1.1 实验装置

为了探究点火位置、当量比和入射激光能量的改变对火焰传播与发展过程造成的影响，基于McKenna型平面火焰燃烧器建立了层流甲烷/空气预混燃气LIPI系统，如图1所示。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

平面火焰燃烧器炉盘中心为直径为60mm的气流出口，在炉盘上均匀分布有无数个气孔，气孔直径小于140gm。实验中采用的激光器波长为1064nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为1～20Hz，激光光束直径为6mm，最大输出脉冲激光能量为115mJ。CCD相机选用Phanton公司生产的V711型高速彩色相机，相机每帧间隔最短可达1μs，图像分辨率最高为 1280×1024。 DG645数字延时脉冲发生器有四个脉冲输出通道，脉冲频率能够达到10MHz，可用来控制激光器的出光和相机的触发。

1.2 实验方法

由于激光诱导击穿过程具有一定随机性，焦点附近局部当量比或气流速度不合适都可能导致LIPI过程无法形成稳定燃烧的火焰。因此，为了获得不同点火条件下LIPI成功的概率，需要对每个点火条件重复实验20次，根据成功点火实验次数占总实验次数的比例得到该点火条件下的LIPI成功率。然后，通过对不同点火条件下火焰图像的位置信息进行提取，对不同当量比和激光能量下火焰前沿位置随时间的变化规律展开研究。

实验开始前，先通入预混燃气，待气流稳定后手动触发DG645，之后激光器和CCD相机将按照预先设定好的延迟顺序依次触发。激光器出光后，先后经过16%的分光镜和聚焦透镜，最后聚焦在预混燃气中，入射激光能量可通过激光能量计测得。实验结束后，先切断甲烷供给，待火焰熄灭后再关断空气。为了确保空气中残留的甲烷不对实验结果造成影响，相邻实验的间隔时间应不少于一分钟。

2 结果与分析

2.1 点火结果随点火位置的变化规律

本文首先对当量比为0.8、1和1.5时LIPI结果随点火位置的变化规律进行了研究，并将点火位置与稳态火焰进行对比，实验结果如图2所示。其中，图像背景为稳态火焰图像，预混燃气的总流量为10L/min，透镜焦距为150mm，激光从画面左侧水平射入，单个脉冲激光能量为52.6mJ。

图2 点火结果随点火位置的变化规律Fig.2 Relationship between the result of the ignition and the ignition position

由图2可知，对于当量比为0.8的预混燃气来说，能够实现LIPI成功的区域主要集中于距离炉面高度50mm以下的区域，随着预混燃气当量比的提高，稳定点火区域的高度也不断提高。当激光聚焦在稳态火焰的轮廓外部时，很难实现稳定点火，这是由于在该点火区域内空气与预混燃气的掺混程度高，焦点附近的局部当量比低于气体可燃下限，无法产生火焰。当聚焦点位于预混火焰内部时，同样无法实现成功点火，可能是因为该区域内预混燃气速度较快、当量比较高，不利于稳定燃烧火焰的形成。实验发现，在扩散火焰与预混火焰的交界面处点火成功率更高，且随着焦点高度的降低，点火成功率逐渐增大，这是因为点火位置下降时，初始火焰向下的传播距离缩短，从而降低了火焰被气流吹熄的概率。因此，在贫燃条件下进行LIPI成功概率更高，当量比过低或过高都不利于稳定燃烧火焰的形成。

2.2 LIPI火焰传播过程典型图像

通过对不同点火条件下LIPI火焰传播与发展图像进行观察，发现预混燃气LIPI初期火焰的形状主要有两种：三瓣形火焰和两瓣形火焰。其中，透镜焦距较短时LIPI初期火焰形状多为三瓣形，原因可能是透镜焦距较短时，透镜对激光能量的汇聚效果更稳定，不会出现多点击穿现象。

如图3（a）所示为总流量为 30L/min、当量比为 0.65、透镜焦距为75mm、入射激光能量为113.6mJ时LIPI过程产生的三瓣形火焰，焦点距离炉面的高度为20mm。由图可知，2ms时在焦点位置处产生以激光入射方向所在直线为对称轴的两瓣形火焰，同时在靠近激光入射方向一侧产生独立的第三瓣火焰，22ms时两团火焰开始接触，并最终发展成为一整团火焰。保持上述实验条件不变，使用焦距为250mm的聚焦透镜开展LIPI实验研究，得到图3（b）所示两瓣形火焰，与图3（a）进行比较后发现，在同一时刻三瓣形火焰体积要明显大于两瓣形火焰体积。

图3 典型LIPI火焰传播过程Fig.3 Typical flame propagation of the LIPI （a）

2.3 当量比对火焰传播过程的影响

研究表明，改变预混燃气的当量比可以影响火焰速度，原因是当量比的改变会影响火焰温度，进而导致火焰速度发生改变。对于甲烷气体来说，火焰速度在稍富燃条件下能够达到最大值，当量比增大或减小都会降低火焰速度[12]。

如表1所示为预混燃气总流量为23L/min、透镜焦距为250mm、入射激光能量为113.6mJ、焦点高度为20mm时LIPI结果随预混燃气总体当量比的变化规律。由表可知，当预混燃气当量比低于0.55或高于0.85时，LIPI过程无法形成稳定燃烧火焰，存在火焰吹熄现象，且随着预混燃气当量比的提高，火焰被吹熄的概率逐渐增大；当量比介于0.65和0.8之间时，基本能够实现百分之百点火成功，随着当量比进一步提高，形成稳定燃烧火焰的概率逐渐减小，最终无法实现点火。

通过对激光作用后不同时刻的火焰前沿的位置进行提取，得到不同当量比条件下火焰前沿高度随时间的变化规律，如图4所示。对LIPI过程中的火焰吹熄现象进行分析后发现，在气流速度不变的情况下，预混燃气当量比越高，火焰向下传播的速度越快，火焰存在的时间越长。

表1 点火结果随预混燃气总体当量比的变化规律Tab.1 Relationship between the result of the ignition and the equivalence ratio

图4 不同当量比条件下火焰前沿高度随时间的变化规律Fig.4 Temporal evolution of the position of the flame front under different equivalent ratios

2.4 激光能量对火焰传播过程的影响

本文进一步研究了入射激光能量对LIPI火焰传播过程的影响，如图5所示为不同当量比条件下LIPI的点火结果与入射激光能量的关系。实验选用预混燃气流量为30L/min，当量比为0.65，透镜焦距为75mm。由图可知，入射激光能量为20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ时，对应的可燃极限分别为0.53-0.75、0.48-0.8和0.45-0.9，实验结果表明，随着入射激光能量的增大，预混燃气的可燃上限提高，可燃下限降低，可燃极限范围变宽。此外，当预混燃气当量比处于0.55-0.65之间时，提高入射激光能量能够有效降低火焰吹熄概率。

图5 不同入射激光能量条件下LIPI结果随当量比的变化规律Fig.5 Relationship between the LIPI results and the equivalence ratio under different laser energies

通过对火焰前沿的位置进行提取，获得了不同入射激光能量下火焰前沿高度随时间的变化规律，如图6所示。由图可知，在激光作用后的相同时刻，激光能量越高，火焰前沿向下运动的距离越远，与平面火焰燃烧器炉面之间的距离越短。对20.1mJ、65.2mJ和113.6mJ的入射激光能量来说，LIPI过程形成稳定燃烧火焰所需的时间分别为110ms、90ms和60ms。实验结果表明，随着入射激光能量的提高，LIPI过程形成稳定燃烧火焰所用的时间越短。

图6 不同激光能量下火焰前沿高度随时间的变化规律Fig.6 Temporal evolution of the position of the flame front under different laser energies

图7 不同激光能量下火焰前沿速度随时间的变化规律Fig.7 Temporal evolution of the velocity of the flame front under different laser energies

通过对火焰前沿的速度进行计算，得到火焰前沿移动速度随时间的变化规律，如图7所示。由图可知，在LIPI初期，火焰前沿移动的速度较快，且随着入射激光能量的提高，LIPI初始阶段火焰的速度也变快，在4ms时火焰前沿的移动速度能达到50cm/s，远远高于大气条件下甲烷/空气预混燃气火焰的速度[12]。这是由于入射激光能量增大，LIPI过程产生的初始火焰核的温度升高，火焰速度也随之升高，而随着时间的改变，初始火焰核内部燃烧活性基团的数量减少，加上未燃气体对火焰核的冷却作用，导致着火区域的温度迅速下降，火焰速度也随之减缓。

3 结论

本文采用纳秒激光器，以McKenna型平面火焰燃烧器为研究对象，开展了层流甲烷/空气预混燃气LIPI实验研究，利用高速摄影技术对LIPI火焰传播与发展过程进行了观测，获得了不同点火条件下LIPI的火焰传播特性，主要结论如下：

（1）LIPI过程有可能产生三瓣形火焰和两瓣形火焰这两种不同形态的火焰，三瓣形火焰多出现于短焦距透镜LIPI实验中，两瓣形火焰多出现于长焦距透镜LIPI实验中。

（2）LIPI与激光聚焦点位置有关，在预混火焰和扩散火焰交界面处点火更利于形成稳定燃烧火焰，且激光聚焦点的高度越低，LIPI成功率越高。此外，LIPI受预混燃气当量比和入射激光能量影响，贫燃和高入射激光能量条件更利于LIPI。

（3）利用高速摄影技术获得了不同当量比和入射激光能量下火焰前沿位置随时间的变化规律，对火焰吹熄现象展开了研究，发现提高预混燃气当量比、增大入射激光能量能够降低火焰吹熄现象发生的概率，缩短LIPI过程形成稳定燃烧火焰所需的时间。（感谢国家自然科学基金（51606220）提供实验平台与技术支持。）

[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，燃烧学导论，概念与应用[M].清华大学出版社，2009.