低温等离子体羽射流特性诊断研究

张 维，陈 雷，宋 鹏，杨 聪，刘 宇，曾 文

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳 100136；2.大连理工大学 能源与动力学院， 辽宁 大连 116024；3.大连民族大学 智能感知与先进控制国家民委重点实验室，辽宁 大连116024)

大气压低温等离子体射流(APPJ)是目前国际上等离子体科学研究领域的重要探索热点之一。由于放电射流衍射的气动效应、化学效应、温升效应等特性具备缩短点火延迟、增加火焰传播速度、改善稳定性、提高燃烧效率以及减少污染物排放等优点，在点火助燃领域具有巨大潜能。此外，由于其高活性、电中性等特性在生物医学治疗、能源探索研究、流动控制、污染物处理及其他新技术与新应用等[1-6]领域也具有卓越的贡献。

随着大气压低温等离子体射流从基础研究和小众、高端应用逐渐扩展到更广阔的研究领域，国内外对射流应用研究已经逐步开展。卢新培等对大气压脉冲放电等离子体的研究进行综述与展望[7]；李雪辰等利用针-网电极结构进行直流等离子体射流放电并进行光谱特性研究[8]；鲜于斌等通过前人总结概述了电场和流场对等离子体射流的推进机理的影响[9]；侯世英等通过对比不同电极位置、电极尺寸、外加电压和气体体积流量分析了氦气等离子体射流特性[10]；Li等人报道了直流驱动条件下氩气的APNP-J装置[11]；Shouichiro lio等人采用速度测量和快速摄影的方法，对等离子体射流和工作气体的流动进行评价[12]；A.Van Deynse等人采用不同的分析技术研究了氩气常压放电对低密度聚乙烯进行表面改性[13]。

等离子体射流的诊断方法众多，传统方法包括高速摄像与发射光谱相耦合获得放电形态、电子激发温度、密度等，研究等离子体射流特性是低温等离子体应用工程化必须回答的基础问题。为解决航空发动机点火可靠性及燃烧稳定性，本文针对针-环双电极结构，采用微秒脉冲电压驱动源来生成等离子体射流，分析了不同频率、不同电压对放电的影响并对针尖位置和喷嘴出口处光电特性进行讨论分析，为等离子体激励强化燃烧提供了有力的支持。

1 实验装置

本研究采用实验装置如图1所示。其中，等离子体射流发生器采用课题组自主搭建的针-环同轴电极结构，主要由一个尖锐的紫铜中心电极和紫铜带组成，中心电极连接高压接线端，紫铜带串接接地端，绝缘层选用石英玻璃，其直径为12 mm、壁厚2 mm，紫铜带宽5 mm且距针尖的距离为10 mm。南京苏曼公司生产CPT-2000K型低温等离子体电源为电极供电，放电电流电阻采样阻值为50 Ω，电流测量取样电容值为0.47 μF，电压、电流及放电频率等参数均由Tektronix-TDS1002型数字示波器记录；氩气(浓度为99.99%)由氩气瓶供给；射流照片由Canon DS126201相机拍摄，曝光时间是0.25 s，采用具有高采集精度的AvaSpec-ULS2048-4-USB2SZ型光纤光谱仪捕摄光谱信息，经计算机储存及记录。

图1 实验装置及测量系统示意图

实验前，使用汞灯对光谱仪的波长分辨率和波长精度进行标定，并自动进行校正，使用钨灯对光谱仪的光谱相对响应进行标定，对比等离子体射流和标准光源(钨丝灯)的辐射强度，对射流的辐射强度进行标定，用经标定好的光谱仪采集并记录系列Ar等离子体谱线。

2 实验结果及分析

2.1 射流长度

实验中，保持氩气体积流量4 L/min不变，放电频率分别为8 kHz、10 kHz、12 kHz，放电峰值电压由6 kV逐步加至13 kV(间隔1 kV)，来研究放电频率以及外加电压对大气压等离子体射流长度特性的影响。图2、图3给出了等离子体射流照片以及射流长度随外施电压、放电频率的演变规律。由图2、图3可知，放电前期等离子体羽射流随外加电压值的增长而不断延伸。当外源电压继续增大至13 kV，射流长度增长速度变缓并趋于稳定。这说明等离子体羽射流尺度不是单独随着外加电压的增大而增长，而是由于放电过程中产生的激发态活性粒子与气流扰动两方面共同决定的[14]。随着频率的增长，射流长度呈现增长的趋势且在12 kHz下射流长度最长，最大长度可达25 mm。电压增大至10 kV后，射流发光强度明显增强，喷嘴出口处出现耀眼的白光且射流尖端呈现蓝紫色，由发光现象可推断出此次射流放电模式为类辉光放电；射流边缘出现丝状毛刺，流柱头部呈现弥散状，且发出刺耳的电离声，这主要是由于电压的增加，外部电场强度增大，射流本身携带更大能量，足以离解空气中部分混合气体，其次由于空气中的氧气是电负性气体，吸引大量电子，使氩原子与电子间的碰撞次数减少，射流流动紊乱。周围空气对射流长度具有非常强的影响效果。

2.2 电压-电流特性

实验中,采用示波器捕获到的等离子体射流微秒脉冲输出电压、放电电流的波形如图4所示，此时外源电压峰-峰值为13 kV。如图4所示，一个放电脉冲周期内，放电脉宽随着频率的增长而减小，在12 kHz时脉宽达到最小。对于时间t的不同相位，放电脉冲并不对称。在施加电压的一个周期中有3个电流脉冲，呈现正向双脉冲、负向单脉冲的形式，脉冲下降沿的反向电场导致负放电脉冲的形成。导致针-环电极射流正负向脉冲个数不对等的主要因素有如下几方面：针状高压电极裸露在工作气体中没有覆盖绝缘介质层，使得正负电极外表面累积的表面电荷数不同；外源电场在管内分布并不均匀[15]。随着外源电压继续升高，暂未熄灭的放电可在瞬时得到增强[16]，形成幅值不同的多脉冲情况；此外，正离子相较于电子其质量更大，当施加正向外源电压时可大大促进正向电场的演变发展，因此正半周期的电流脉冲个数更多。

图2 等离子体射流照片

图3 射流长度随放电频率、外加电压的变化趋势图

图4 13 kV氩等离子体射流放电的电压-电流波形图

2.3 光谱特性

为了进一步研究等离子体射流活性粒子的用途，在Ar质量流量为4 L/min的条件下，对不同放电频率、不同电压所激发的等离子体射流进行光谱采纳，得到辐射光谱信息如图5所示。图5a所示为外源电压峰-峰值6 kV下，大气压Ar等离子体射流谱线分布及活性粒子成分分析。由图5a可知Ar等离子体射流主要生成的活性粒子有Ar、OH和O，这是由于大气压下，射流装置周围部分水蒸气及氧气会被较强的电场予以激发离解；此外激发态ArⅠ的存在对发射光谱起主导作用，共采集到15条ArⅠ谱线，谱线波长范围高度集中在680～850 nm之间，在763.5 nm处Ar谱线强度达到最大值；其次在309.23 nm处发现了OH粒子成分的存在，同时在777.02 nm处出现了微弱的O谱线。图5b所示为不同放电Ar等离子体射流谱线的分布及强弱。选取高压针状电极尖端部位处进行谱线观测记录。由图5b可知，随着放电频率的增长光谱辐射强度逐渐增长，在12 kHz强度值最大。

图5 氩等离子体射流发射光谱图

为了进一步分析射流特性，采用Boltzmann法分析并计算Ar等离子体射流的电子激发温度。从误差分析角度考虑，选取的谱线能级差要求尽可能大，本文拟定选取13.48eV、13.28eV、13.17eV共4条谱线，拟选择的谱线涵盖区间范围广并具有可靠的拟合性、误差小等特点。所选Ar激发态谱线的具体特性参数为750.38 nm(2p1→1s2)、763.51 nm(2p6→1s5)、794.81 nm(2p3→1s3)、800.61 nm(2p6→1s4)，选择峰值电压6 kV，以中心位置所观测到的谱线为基准，经过最小二乘法拟合得到Boltzmann拟合直线如图6所示。图6所示共有9条随电压变化的拟合走势线，Ar等离子体射流谱线对应的数据点分布较好，线性拟合误差值在9%左右，一元线性拟合程度较高。经计算得到放电频率8 kHz、10 kHz、12 kHz时的电子激发温度分别为14 000 K、16 000 K、18 000 K，图7记录了3种放电频率下的电子激发温度，因此可以得到放电频率是影响等离子体射流放电特性的关键因素。

图6 氩等离子体射流Boltzmann拟合直线图

图7 三频率下的电子激发温度

由原子发射光谱原理知,在局域热平衡模型下有如下关系式

(1)

3 结论

通过自主搭建的针-环电极结构等离子体射流装置进行大气压下氩气电离试验，采用摄影技术-电化学特性-辐射光谱法相耦合的测量方法对等离子体射流的基本特性进行了诊断。主要结论如下：

(1) 针-环电极结构氩等离子体射流放电类似为辉光放电，射流激发的活性粒子主要有Ar、OH以及微弱的O等；

(2) Ar质量流量4 L/min,放电形成的射流长度随外施电压的升高呈现先线性增长后趋于变缓的态势，在放电频率12 kHz时射流达到最长，可达25 mm；

(3) 微秒脉冲低温等离子体射流放电可形成稳定可靠的多脉冲电流信号，然而仅电压脉宽范围内的主电流峰具有一定的重复性和规律性，针-环结构表现为典型的正向双脉冲、负向单脉冲的特点；

(4) 随着放电频率的增大等离子体射流谱线辐射强度增大，且电子激发温度也逐渐增加。