陳 雷，封 超，宋 鵬，劉 凱，張 靜，劉 宇(.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 036；.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 6600)

甲烷-空氣同軸電極介質(zhì)阻擋放電數(shù)值模擬

陳 雷1，封 超1，宋 鵬2，劉 凱1，張 靜1，劉 宇1
(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

在6 000 V的放電電壓條件下，采用直徑為10 mm的同軸圓筒電極模型，研究了當(dāng)量比變化對(duì)電子密度和活性粒子濃度變化的影響。結(jié)果表明，電子密度隨距陰極距離的減小而逐漸增加，在距離陰極附近較小位置時(shí)(0.05～0.4 mm)電子密度的最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在0.1 mm位置達(dá)到峰值。放電極大地提高了活性粒子H、O3、CH3和NO的摩爾濃度，隨著當(dāng)量比的降低，各活性粒子的摩爾分?jǐn)?shù)略有減少，但即使在最低的當(dāng)量比條件Φ=0.4時(shí)仍能產(chǎn)生較多的活性粒子，隨當(dāng)量比的變化電子密度并無(wú)顯著影響。

介質(zhì)阻擋放電；非平衡等離子體；活性粒子；電子密度；當(dāng)量比

作為最有應(yīng)用潛力的主要替代能源之一，天然氣的開(kāi)采、儲(chǔ)存及使用技術(shù)等方面的研究引起了人們的極大興趣。天然氣主要成分甲烷(CH4)的四面體分子結(jié)構(gòu)中C-H鍵能較大[1-2]，導(dǎo)致其點(diǎn)火能量高、火焰?zhèn)鞑ニ俾实?，因此甲烷的氧化反?yīng)需要較高的反應(yīng)溫度[3]，這造成在較低的當(dāng)量比下甲烷燃燒難以進(jìn)行。近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)的非平衡等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)由于具有很高的電子溫度(>104K)，能夠有效地激活分子，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，因此得到廣泛的關(guān)注[4]。

非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)是通過(guò)施加外加電場(chǎng)的方法，將燃料或空氣電離成高能電子及重粒子，從而提高反應(yīng)活性的技術(shù)[5-7]。在非平衡等離子體的電離方式中，介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)通常表現(xiàn)為非平衡態(tài)、不穩(wěn)定、非均勻的氣體放電，但在一定條件下DBD也可表現(xiàn)為均勻穩(wěn)定的無(wú)細(xì)絲出現(xiàn)的放電模式[8-11]，是產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體的一種非常有效的方法。由于電離過(guò)程的時(shí)間特性、電子傳遞屬性、電子溫度和能量、粒子濃度和反應(yīng)速率變化等基本特征難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)獲得[10]，所以數(shù)值模擬方法成為研究大氣壓介質(zhì)阻擋放電(DBD)理化過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理的重要手段[11-13]。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在數(shù)值模擬方面作了大量研究[14-16]，但現(xiàn)有研究中對(duì)甲烷-空氣當(dāng)量比變化影響DBD中電子及自由基濃度演化規(guī)律的研究較少，而當(dāng)量比是決定燃燒過(guò)程優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，在稀薄條件下實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的燃燒(稀薄燃燒)是確保天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的先決條件。本文對(duì)大氣壓下甲烷-空氣的DBD放電過(guò)程進(jìn)行了一維數(shù)值模擬，研究了放電參數(shù)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)電子密度分布、主要活性粒子濃度變化及其分布規(guī)律的影響。

1 等離子體模型的建立

介質(zhì)阻擋放電所產(chǎn)生的非平衡等離子體的動(dòng)力學(xué)模型主要包括電離、彈性碰撞、激發(fā)、電子吸附以及復(fù)合等過(guò)程[17-18]。對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)模型的建立作了如下假設(shè)[19]：(1)忽略等離子體的磁效應(yīng)；(2)粒子分布不考慮空間效應(yīng)，即認(rèn)為電離空間內(nèi)粒子均勻分布；(3)電離空間中的電場(chǎng)分布均勻。

1.1 物理模型

圖1為同軸圓筒電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中內(nèi)電極為陽(yáng)極，其半徑3 mm，外電極為接地電極。外電極內(nèi)側(cè)到內(nèi)電極外側(cè)為電離空間，其寬度s為10 mm。介質(zhì)層厚度為0.5 mm，其介電常數(shù)為10，安裝到內(nèi)電極上。初始電子密度為1×1014m-3，初始電子能量4 eV，陰極二次電子發(fā)射系數(shù)0.15，二次電子能量5 eV，初始條件值的設(shè)定來(lái)自文獻(xiàn)[23]。

圖1 同軸圓筒電極結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

正離子轟擊陰極固體表面后變成中性粒子和電子：A++壁面=>e+A。在模型壁面處的邊界條件如式(1)所示。

(1)

式(1)中：n表示總粒子數(shù)密度；ne表示電子數(shù)密度；Γe表示擴(kuò)散項(xiàng)，Γe=-(μe·E)ne-De·ne；μe為電子遷移率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；De為擴(kuò)散系數(shù)；r表示粒子打到壁面的反射率；vet為電子的熱運(yùn)動(dòng)速率；Γi表示第i種正離子射向壁面的通量；γi表示第i種正離子的壁面反應(yīng)的二次電子發(fā)射系數(shù)；Γt表示壁面熱發(fā)射通量。ve.th為定義的電子熱速度，其定義如式(2)所示。

(2)

式(2)中：kb為玻耳茲曼常數(shù)；me為電子質(zhì)量；Te為電子溫度。 等離子體密度的發(fā)展用簡(jiǎn)化方程[20](3)描述，

(3)

式(3)中：vt為電離速率；va為三體附著率；αr為復(fù)合率；D為相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)；v為氣體流動(dòng)速度；ne為等離子體密度；t為擴(kuò)散時(shí)間。

化學(xué)反應(yīng)如式(4)所示：

(4)

式(4)中：Ai和Bi分別為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物；而ai和bi分別為組分i，j的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。對(duì)于反應(yīng)速率如(5)所示，

(5)式(5)中：kf為前向反應(yīng)速率系數(shù)；kr為反向反應(yīng)速率系數(shù)；n為粒子數(shù)密度。阿雷尼烏斯公式為(6)所示,

(6)

式(6)中：A和Ea分別指前因子和活化能；T為氣體溫度；R為通用氣體常數(shù)。在計(jì)算模型中，組分?jǐn)?shù)密度變化率如式(7)所示。

(7)

表1 非電子組分的化學(xué)反應(yīng)

注：A、n和En分別為阿雷尼烏斯公式的前因子、溫度指數(shù)和活化能

表2 甲烷-空氣反應(yīng)中的電子碰撞反應(yīng)和N2的非電子碰撞反應(yīng)

注：氣體溫度Tg、電子溫度Te的單位為K、Δε為能量損耗。

對(duì)于表面反應(yīng)，假設(shè)離子或者亞穩(wěn)態(tài)粒子再碰到壁面后變成穩(wěn)態(tài)的粒子；重粒子與壁面碰撞，能夠激發(fā)出二次電子[25]，表面反應(yīng)的方程如表3所示。

表3 表面反應(yīng)

根據(jù)圖1的物理模型建立一維等離子體模型，如圖2所示。模型中，橫軸表示內(nèi)電極中心到外電極沿半徑方向的距離L，單位為mm。從左側(cè)到右側(cè)點(diǎn)的含義分別是：陽(yáng)極(內(nèi)電極)外側(cè)、介質(zhì)的外側(cè)、距外電極內(nèi)側(cè)較近距離處(A點(diǎn)，本文取0.4 mm)的研究對(duì)象點(diǎn)、陰極(外電極)內(nèi)側(cè)。電離空間內(nèi)充滿空氣-甲烷預(yù)混氣體，其燃空當(dāng)量比分別為0.4、0.6、0.8和1.0。

本研究模擬的放電過(guò)程是在大氣壓下、初始溫度為298 K時(shí)進(jìn)行的，由于正離子和負(fù)離子的遷移速率相對(duì)電子而言很慢，所以不考慮離子電流引起的焦耳加熱。在模型中距陰極0.4 mm處設(shè)置研究對(duì)象點(diǎn)A的目的是為了研究該點(diǎn)處的粒子密度隨時(shí)間的變化情況；而且由于陰極附近處電子密度變化劇烈，網(wǎng)格更密集，這樣可以提高收斂性，并提高計(jì)算精度。由于距離陰極不同位置處的粒子密度有所差異，可以通過(guò)修改A點(diǎn)的位置來(lái)得到不同的粒子密度隨時(shí)間的變化。

圖2 一維等離子體模型

2 結(jié)果與討論

2.1 電子密度分析

圖3所示為電子密度在電離空間內(nèi)的分布情況，其中每條曲線代表放電間隙內(nèi)某一時(shí)刻電子密度的分布。本文中所選取的內(nèi)電極上施加的電源電壓為6 000 V，放電間隙為10 mm。如圖3所示，從前幾個(gè)時(shí)刻的曲線變化情況可以看出，電子先以較快的速度向陽(yáng)極聚集，隨后幾個(gè)時(shí)刻在陰極附近處突然有電子密度的激增。這是因?yàn)楫?dāng)放電開(kāi)始后，自由電子在外加電場(chǎng)的作用下由陰極向陽(yáng)極做加速運(yùn)動(dòng)。在加速途中大部分電子與中性分子發(fā)生彈性碰撞，但少部分高能電子與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞，導(dǎo)致碰撞電離，形成大量的電子崩，電子的數(shù)量呈指數(shù)的形式增長(zhǎng)。此外，重粒子(主要是正離子)對(duì)陰極產(chǎn)生的轟擊，可能引起陰極表面發(fā)生二次電子發(fā)射，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生更多的電子，導(dǎo)致了陰極附近電子密度的變化較為劇烈。在9.38 e-7s時(shí)，電子密度可達(dá)1 017到1 018量級(jí)，此時(shí)介質(zhì)阻擋放電模式下的電離空間內(nèi)的電子密度已比初始提高了3到4個(gè)量級(jí)。由于陰極附近反應(yīng)較為劇烈，所以分別取距陰極0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.15 mm、0.13 mm、0.10 mm、0.09 mm、0.08 mm、0.07 mm和0.05 mm處作為研究點(diǎn)，對(duì)電子密度隨時(shí)間的變化進(jìn)行研究，得到了圖4的結(jié)果。

圖3 電子密度隨時(shí)間變化的空間分布

研究過(guò)程中持續(xù)不變的對(duì)電極加載恒定6 000 V電壓如圖4中直線所示，在該電壓下得到所選點(diǎn)的電子密度隨時(shí)間的變化情況，不同距離上的電子密度均呈現(xiàn)出先迅速增加、隨后急劇下降的趨勢(shì)。這是由于隨著重粒子(主要是正離子)對(duì)陰極的轟擊，引發(fā)了二次電子發(fā)射，進(jìn)而導(dǎo)致附近的電子密度開(kāi)始增加。然而隨著距離陰極的距離的減小(從0.4 mm到0.05 mm)，電子密度的最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由多種因素導(dǎo)致的：一方面，距離陰極很近(<0.05 mm)時(shí)，剛被轟擊出的電子能量較高，運(yùn)動(dòng)速度較快，與重粒子不斷碰撞，一部分電子速度降低；另一方面，電子與正離子、基態(tài)粒子和激發(fā)態(tài)粒子的撞擊產(chǎn)生了新的電子；而且，還有一部分能量較低的電子會(huì)被重粒子吸附或中和。這些因素的綜合效果使得電子在距陰極0.1 mm附近處濃度達(dá)到最大值。由于二次電子能量較高，運(yùn)動(dòng)速度較快，所以導(dǎo)致電子密度在距離陰極附近的位置變化較快。隨著電子的增多，在電離空間內(nèi)部將形成一個(gè)相反的電場(chǎng)，這將導(dǎo)致重粒子撞擊陰極的速度降低，所以第二次的二次電子會(huì)小很多。

圖5所示為距陽(yáng)極0.02 mm處的電子密度隨時(shí)間的變化情況。在不同當(dāng)量比條件下，電子密度隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)出3個(gè)階段：第一階段為0～0.5 μs，在此階段內(nèi)電子密度先是顯著增加，在0.25 μs左右時(shí)逐漸小幅減??；第二階段是從0.5 μs附近到1.0 μs處，在此階段電子密度先是顯著增加，隨后增幅減小，并在1.0 μs附近處達(dá)到最大值；第三階段是從1.0 μs至2.0 μs，在這一階段電子密度逐漸下降。電子密度在第一階段內(nèi)的變化主要是來(lái)自電離空間內(nèi)的初始電子，而從0.5 μs到1 μs的第二階段電子密度的變化主要來(lái)自二次電子所產(chǎn)生的，之后由于內(nèi)電場(chǎng)的作用，使得電子密度在達(dá)到峰值后開(kāi)始下降。

圖5 距陽(yáng)極0.02 mm處不同當(dāng)量比下電子密度隨時(shí)間的變化情況

2.2 不同當(dāng)量比下主要粒子密度的變化規(guī)律

電離產(chǎn)生的活性粒子對(duì)于CH4的反應(yīng)速率有很大影響[26-28]。按照對(duì)甲烷燃燒反應(yīng)影響作用從強(qiáng)到弱的順序，電離產(chǎn)生的4種主要活性粒子依次是：H、O3、CH3和NO，其中NO可以提升H、O等粒子的生成速率[29]。這4種粒子的初始摩爾濃度均設(shè)定為1×10-8，電子初始密度為1×1014/m-3。

圖6～9所示分別為H、O3、CH3、NO的摩爾濃度隨時(shí)間的變化情況。從圖6和圖8可以看出，H和CH3的數(shù)量密度隨時(shí)間的演化曲線是完全一致的。這是由于在本文計(jì)算中所用的甲烷電離簡(jiǎn)化模型中CH3和H的反應(yīng)完全一致(見(jiàn)表2)。如圖6和圖8所示，在當(dāng)量比為0.4時(shí)，H和CH3的摩爾分?jǐn)?shù)在0.52 μs時(shí)最先開(kāi)始增加。隨著當(dāng)量比的增加，H和CH3摩爾分?jǐn)?shù)開(kāi)始明顯增加的時(shí)間有所推遲，在當(dāng)量比增加到1.0時(shí)，H和CH3的摩爾分?jǐn)?shù)在0.60 μs開(kāi)始顯著上升。H和CH3達(dá)到平衡時(shí)濃度分別為5.6×10-7(Φ=0.4)、8.3×10-7(Φ=0.6)、1.0×10-6(Φ=0.8)以及1.2×10-6(Φ=1.0)。

圖6 H的摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7所示為O3摩爾濃度的變化。如圖所示，當(dāng)Φ=0.4時(shí)，O3在0.52 μs附近開(kāi)始急速增加，當(dāng)?shù)?.61 μs附近達(dá)到極大值(1.4×10-5)，隨后以較小的增幅增加，并且隨著當(dāng)量比的增加，到達(dá)極大值的時(shí)間會(huì)分別推后0.03 μs。由于時(shí)間的推后，而且變化趨勢(shì)基本相同，所以導(dǎo)致粒子摩爾分?jǐn)?shù)在同一時(shí)刻，當(dāng)量比較小反而會(huì)較高。

圖7 O3的摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9所示為NO摩爾分?jǐn)?shù)的變化。如圖所示，NO的摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)在開(kāi)始時(shí)先下降，隨后快速上升，達(dá)到峰值后迅速下降，之后有一個(gè)緩慢的上升過(guò)程。在0.58 μs左右時(shí)，當(dāng)量比為0.4的NO摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值1.2×10-6，隨著當(dāng)量比的增加NO達(dá)到峰值的時(shí)間有所推遲。到達(dá)最大值之后，由于第二次的二次電離能量較低，所以產(chǎn)生的NO也相對(duì)較少，因此NO呈現(xiàn)先以較快的速度下降，之后小幅增加的變化趨勢(shì)。

圖8 CH3的摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9 NO摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 不同當(dāng)量比下電子密度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10為當(dāng)量比對(duì)電子密度變化的影響。如圖10所示，在不同當(dāng)量比下電子密度的變化規(guī)律基本相同，只是較小的當(dāng)量比下電子密度達(dá)到最大值較快。在各當(dāng)量比條件下最大電子密度均約為5×1018/m3，平衡后的電子密度均約為3×1017/m3。從圖10中還可以看出，雖然當(dāng)量比減少了，但是對(duì)于活性粒子生成多少起到關(guān)鍵作用的電子密度并沒(méi)有影響，這對(duì)低當(dāng)量比下的甲烷空氣燃燒起到了非常有利的作用。

3 結(jié) 論

(1)在電離空間內(nèi)，電子密度隨距離陰極的距離減小而逐漸增加，在距離陰極附近較小位置時(shí)(0.05～0.4 mm)電子密度最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在0.1 mm位置達(dá)到峰值；

(2)放電極大地提高了對(duì)甲烷燃燒起主要助燃作用的H、O3、CH3和NO的摩爾濃度。H和CH3有相同的變化趨勢(shì)，其摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值后保持基本平衡；NO的摩爾分?jǐn)?shù)最先達(dá)到最大值，之后以較快的速度下降，隨后有小部分的提升；

(3)隨著當(dāng)量比的減少，各活性粒子的摩爾分?jǐn)?shù)略有減少，但即使在最低的當(dāng)量比條件Φ=0.4時(shí)仍能產(chǎn)生較多的活性粒子；

(4)當(dāng)量比的變化對(duì)電子密度并沒(méi)有顯著影響，這對(duì)低當(dāng)量比下的甲烷空氣燃燒非常有利。

[1]LIU J,YAN Y,LIU H,et al.Understanding effect of structure and stability on transformation of CH4hydrate to CO2hydrate[J].Chemical Physics Letters,2016,648(2):75-80.

[2]FEDOSEEVA Y V,POZDNYAKOV G A,OKOTRUB A V,et al.Effect of substrate temperature on the structure of amorphous oxygenated hydrocarbon films grown with a pulsed supersonic methane plasma flow[J].Applied Surface Science,2016,385(21):464-471.

[3]鄒吉軍，李陽(yáng)，張?jiān)缕迹?甲烷二氧化碳介質(zhì)阻擋放電轉(zhuǎn)化產(chǎn)物分布研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2002，18(8)：759-763.

[4]李平，穆海寶，喻琳，等.低溫等離子體輔助燃燒的研究進(jìn)展、關(guān)鍵問(wèn)題及展望[J].高電壓技術(shù)，2015，41(6)：2073-2083.

[5]OSAWA N,YOSHIOKA Y.Generation of low-frequency homogeneous dielectric barrier discharge at atmospheric pressure[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2012,40(1):2-8.

[6]SINGLETON D R,KUTHI A,SANDERS J M,et al.Low energy compact power modulators for transient plasma ignition[J].In Dielectrics & Electrical Insulation IEEE Transactions on,2011,18(4):1084-1090.

[7]ADAMOVICH I V,LI T,LEMPERT W R.Kinetic mechanism of molecular energy transfer and chemical reactions in low-temperature air-fuel plasmas[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical Physical & Engineering Sciences,2015,373(2048):61-66.

[8]章 程，邵 濤，嚴(yán) 萍.納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電在聚合物絕緣材料表面改性中的應(yīng)用[J].絕緣材料，2014，47(2)：1-7.

[9]KOGELSCHATZ U.Dielectric-barrier discharge:their history,discharge physics,and industrial application[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing,2003,23(1):1-46.

[10]FANG Z,LIN J,XIE X,et al.Experimental study on the transition of the discharge modes in air dielectric barrier discharge[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(8):085203．

[11]FANG Z,XIE X,LIN J,et al.Comparison of surface modification of polypropylene film by filamentary DBD at atmospheric pressure and homogeneous DBD at medium pressure in air[J].Journal of PhysicsD:Applied Physics,2009,42(8):085204．

[12]王艷輝，王德真.介質(zhì)阻擋均勻大氣壓輝光放電數(shù)值模擬研究[J].物理學(xué)報(bào)，2003，52(7)：1694-1700.

[13]HAN J,YAMASHITA H.Numerical study of the effects 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.

[14]TASHIRO S,TANAKA M,MURPHY A B.Numerical analysis of non-equilibrium plasma property in anode boundary layer of argon gas tungsten arc[J].Surface and Coatings Technology,2010,205(7):S115-S119.

[15]BOGAERTS A,GIJBELS R.Numerical modelling of gas discharge plasmas for various applications[J].Vacuum,2002,69(1):37-52.

[16]NIESSEN W,WOLF O,SCHRUFT R.The influence of ethane on the conversion of NOx in a dielectric barrier discharge[J].Journal of Physics D:Applied Physics,1998,3l(3):542-550.

[17]MINTUSOV E,SERDYUCHENKO A,CHOI I,et al.Mechanism of plasma assisted oxidation and ignition of ethylene-air flows by a repetitively pulsed nanosecond discharge[J].Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(2):3181-3188.

[18]宋慧敏，李應(yīng)紅，魏灃亭，等．等離子體電流體動(dòng)力激勵(lì)器的建模與仿真[J].高電壓技術(shù)，2006，32(3)：72-74.

[19]ZHDANOV V M,STEPANENKO A A.Kinetic theory of transport processes in partially ionized reactive plasma,II:electron transport properties[J].Physica A:Statistical Mechanics and its Applications,2016,461(5):310-324.

[20]LU X,NAIDIS G V,LAROUSSI M,et al.Reactive species in non-equilibrium atmospheric-pressure plasmas:generation,transport,and biological effects[J].Physics Reports,2016,630(3):1-84.

[21]杜宏亮，何立明，蘭宇丹，等.約化場(chǎng)強(qiáng)對(duì)氮-氧混合氣放電等離子體演化特性的影響[J].物理學(xué)報(bào)，2011，60(11)：449-454.

[22]JAGGERS H,ENGEL V.The effect of electric fields on the burning velocity of various flames[J]．Combustion flame,1971,16(3)：275-285.

[23]張浩.等離子體助燃CH4燃料的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[24]HALTER F,HIGELIN P,DAGAUT P.Experimental and detailed kinetic modeling study of the effect of ozone on the combustion of methane[J].Energy Fuels,2011,25(7):2909-2916.

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

[26]PACS-L:IST-Lisbon database.Scattering Cross Sections[DB/OL].http://fr.lxcat.net/cache/57806702c1413/:IST-Lisbon,2013[2016-7-10].http://fr.lxcat.net/home/.

[27]丁偉，于向財(cái)，唐巖輝.介質(zhì)阻擋放電等離子體中的電子碰撞能量轉(zhuǎn)換過(guò)程[J].高壓電器，2011，47(6)：43-47.

[28]YAO S,NAKAYAMA A,SUZUKI E.Methane conversion using a high-frequency pulsed plasma:discharge features[J].Aiche Journal,2001,47(2):419-426.

[29]ZHANG M,WANG J,XIE Y,et al.Flame front structure and burning velocity of turbulent premixed CH4/H2/air flames[J].International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(26):11421-11428.

[30]GAIKWAD V,KENNEDY E,MCAKIE J,et al.Reaction of carbon tetrachloride with methane in a non-equilibrium plasma at atmospheric pressure,and character isation of the polymer thus formed[J].Journal of Hazardous Materials,2014,280(7):38-45.

[31]王回春.非平衡等離子體對(duì)汽油和甲烷燃燒影響的數(shù)值模擬研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Numerical simulation on characteristic of CH4 /Air mixture of
coaxial dielectric barrier discharge

CHEN Lei1,FENG Chao1,SONG Peng2,LIU Kai1,ZHANG Jing1,LIU Yu1
(1.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian 116600,China)

Numerical simulation of dielectric barrier discharge of CH4/air mixture was carried out by employing a coaxial cylindrical electrode with diameter of 10 mm under the condition of discharge voltage of 6 000 V.The influences of equivalence ratio on electron density and active particle concentration were analyzed.The results show that electron density increased with the shortening of the distance from the cathode.For a small scope near the cathode(0.05～0.4mm),the maximum value of electron density increased up to 0.1mm,and then decreased.The discharge greatly increased the molar concentration of NO,O3,CH3and H.With reduction of equivalence ratio,molar fraction of the active particles decreased slightly,but still produced a plenty of active particles at the lowest equivalence ratioΦ=0.4.The electron density had no significant effect with the change of equivalence ratio conditions.

dielectric barrier discharge;non equilibrium plasma;active particles;electron density;equivalence ratio

2016-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51409158)

陳 雷(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，副教授，博士，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)燃燒技術(shù)，E-mail:yuruntianqi@163.com。

2095-1248(2017)02-0011-08

O539

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.02.003