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        大氣壓空氣滑動弧等離子體發(fā)射光譜診斷

        2022-10-09 08:07:34程凡翀劉桂銘王保懷
        光譜學與光譜分析 2022年10期
        關(guān)鍵詞:振動

        楊 昆,陳 雷,程凡翀,裴 歡,劉桂銘,王保懷,曾 文

        沈陽航空航天大學航空發(fā)動機學院,遼寧 沈陽 110136

        引 言

        滑動弧放電等離子體是高速氣體來流在電極間隙最窄處放電擊穿產(chǎn)生電弧的一種周期性等離子體放電方式。在放電過程中,電弧在高速氣流的推動下沿著電極滑動,直至達到極限(電場提供的能量不足以維持電弧的熱量耗散)后熄滅,并重新在電極間隙最窄處產(chǎn)生新電弧?;瑒踊〉入x子體具有較低宏觀氣體溫度、較高電子密度及電子溫度的特點,因此被國內(nèi)外研究者廣泛研究并實際應(yīng)用。自Czernichowski開創(chuàng)性的將滑動弧等離子體應(yīng)用于H2S的降解以來,滑動弧等離子體在燃料重整制氫[1]、點火助燃[2]、廢水處理[3]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。張若兵等[4]探究了電極結(jié)構(gòu)對二維滑動弧等離子體尺寸的影響,發(fā)現(xiàn)電極張角和電極長度對等離子體的寬度和長度有明顯影響;何立明等[5]驗證了滑動弧放電有A-G和B-G兩種放電模式,且兩種模式占比受放電電壓和電極幾何結(jié)構(gòu)影響;鐘犁等[6]探究了進氣量、放電間隙對二維滑動弧的放電電壓等物理參數(shù)的影響,并對放電的平衡特性進行了定量分析,發(fā)現(xiàn)10~35 L·min-1的中等流量條件適用于氣體處理;張浩等[7]研究了進氣流量和CH4/Ar摻混比對甲烷裂解制氫影響,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動弧可以在較高CH4處理量下獲得較高CH4轉(zhuǎn)化率。Wu等[8]通過發(fā)射光譜法研究了氣體流速對大氣壓下Ar/N2旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體振動溫度的影響,發(fā)現(xiàn)振動溫度在氣體流速2~16 L·min-1工況下先增大后減小,在12 L·min-1時達到最大。

        滑動弧等離子體在點火助燃[9-10]、燃油霧化[11]等方面的應(yīng)用日益增多;目前國內(nèi)外對滑動弧理論研究多采用惰性氣體作為工作氣體,與點火助燃及燃油霧化的實際工作氣體并不一致。本文通過對空氣滑動弧等離子體進行光譜診斷,研究Ar體積流量qAr、調(diào)壓器電壓U調(diào)對空氣滑動弧等離子體的振動溫度、電子密度及產(chǎn)生的OH及O的相對光譜強度的影響,為空氣滑動弧等離子體在點火助燃、燃油霧化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供幫助??諝饣瑒踊〉入x子體能在較低能耗下促進化學反應(yīng)活性,必將在點火助燃、燃油霧化方面應(yīng)用占據(jù)一席之地,使其實現(xiàn)廣泛應(yīng)用成為一種可能。

        1 實驗部分

        1.1 裝置

        圖1所示為本試驗的試驗系統(tǒng)圖。放電裝置為本課題組自主研制的滑動弧激勵器,由兩片紫銅刀形電極、聚四氟乙烯絕緣罩、聚四氟乙烯噴嘴、聚四氟乙烯進氣管組成,紫銅電極厚10 mm,總長100 mm,發(fā)展段(電極上電弧產(chǎn)生且滑動的電極弧段)長75 mm、弧度60°,與聚四氟乙烯絕緣罩通過螺紋連接,可調(diào)節(jié)放電間隙,兩電極分別與等離子體電源高壓、接地端相連。聚四氟乙烯進氣管內(nèi)徑6 mm,壁厚2 mm,與聚四氟乙烯絕緣罩通過螺紋連接,可調(diào)節(jié)進氣管與電極最窄間隙間的距離。

        圖1 試驗器及測試系統(tǒng)圖

        試驗中采用CTP-2000K交流等離子體電源供電;采用Tronix-TDS1002數(shù)字型示波器監(jiān)控放電電壓及輸入頻率;試驗載氣分別由純度99.99%的空氣及Ar瓶提供,空氣和Ar經(jīng)由各自氣體管路通入后預(yù)混再通入試驗器進行滑動弧等離子體放電;光譜信息由海洋光學MX2500+多通道光譜儀采集,每一工況光譜信息均采集10次后取平均值。

        1.2 光譜診斷方法

        1.2.1 試驗工況

        本研究中,光譜測量采用發(fā)射光譜法。試驗中固定qAir=15 L·min-1、f=10 kHz不變,兩電極最窄處間隙固定為8 mm,進氣管距離電極最窄處為10 mm,為能在光譜儀采集范圍內(nèi)清晰采集光譜信息,光纖探頭固定在距滑動弧放電區(qū)域垂直高度10 mm位置處??諝鈸舸╇妶鲞h大于Ar的,加入Ar后產(chǎn)生的潘寧電離效應(yīng)能促進空氣電離,為探究Ar添加對空氣滑動弧等離子體的影響,改變qAr及U調(diào)進行發(fā)射光譜診斷。

        1.2.2 電子密度的計算

        電子密度表征等離子體電離度強弱,較常用的計算方法是譜線展寬測量法[12-13],可以用H譜線也可用非H譜線計算,H原子譜線與電子密度滿足式(1)

        (1)

        式(1)中,Δλ1/2為譜線線寬,Ne即為電子密度。

        高斯函數(shù)表達式為

        (2)

        對式(2)積分可得高斯曲線的峰面積

        (3)

        由式(2)可得譜線線寬

        (4)

        聯(lián)立式(3)和式(4)解得

        (5)

        本文選用Hα(656.3 nm)譜線進行高斯擬合可得峰面積S及譜線高度a,代入式(5)即可求出Δλ1/2,由式(1)即可求得電子密度。

        1.2.3 振動溫度的計算

        振動溫度是反映等離子體放電過程中能量輸運的重要參數(shù)之一,目前常用計算方法為Boltzmann圖法。當?shù)入x子體處于LTE時,上態(tài)分子數(shù)滿足Boltzmann分布

        KTν(lnN0-lnNν′)=Eν′

        (6)

        N2分子的譜線強度為

        (7)

        分子上態(tài)振動能量為

        Eν′=ωe(ν′+0.5)+ωexe(ν′+0.5)2+ωeye(ν′+0.5)3+…

        (8)

        式(8)中等式右邊第三項后的各項很小,計算時可略去,聯(lián)立式(6)、式(7)和(8)可得

        (9)

        本文中選用分布在300~450 nm間的N2分子第二正帶系三組振動帶序共8條譜線進行線性擬合得到斜率再計算出振動溫度Tν。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 特征譜線分析

        圖2所示為U調(diào)=120 V,qAr=0~4 L·min-1工況下滑動弧放電等離子體特征譜線。如圖2所示,當qAr=0 L·min-1時,空氣滑動弧等離子體中的活性粒子主要有波長分布在306~315 nm間的OH(A2Σ+→X2Π)譜帶,330~450 nm間的N2(C3Πu→B3Πg)第二正帶系,Hα(656.3 nm)及光譜強度較強的波長777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波長844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。其中OH(A2Σ-→X2Π)及Hα(656.3 nm)產(chǎn)生是因為空氣中存在的微量水被電離。當qAr=4 L·min-1時,O(3P5P0→3S5S0),O(3P3P→3S3S0),OH(A2Σ+→X2Π)相對光譜強度顯著增大,且增加了譜線分布在680~900 nm間的ArⅠ和ArⅡ原子。這表明加入Ar能有效幫助空氣滑動弧放電。究其原因,Ar的加入促進了潘寧解離效應(yīng),增加了中性氣體分子與自由電子的碰撞頻率,從而提高空氣解離。

        圖2 滑動弧等離子體發(fā)射光譜

        2.2 qAr、U調(diào)對O(777.4 nm)光譜發(fā)射強度的影響

        圖3為不同U調(diào)下qAr對空氣滑動弧放電產(chǎn)生O(777.4 nm)相對光譜強度影響。如圖3所示,加入Ar能增強O(777.4 nm)相對光譜強度,O(777.4 nm)相對光譜強度隨qAr增大先緩慢增長、再快速增大到極大值、隨后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。究其原因,加入Ar促進了潘寧解離效應(yīng),使O2分子與高能電子碰撞頻率增強,從而解離出更多O。隨qAr不斷增加,Ar亞穩(wěn)態(tài)不斷增加,潘寧解離效應(yīng)增強,從而使得O(777.4 nm)相對光譜強度急劇增大。而隨qAr繼續(xù)增大,Ar*激發(fā)態(tài)粒子對能量消耗增大,導致高能電子獲得能量減小,從而使得O(777.4 nm)相對光譜強度有少量降低并趨于穩(wěn)定。從圖3可看出,在低qAr(0~3 L·min-1),電壓對O(777.4 nm)相對光譜強度變化趨勢影響較小,而在高qAr(4~6 L·min-1),隨U調(diào)增大,O(777.4 nm)相對光譜強度變化趨勢有較大變化??赡芤驗?,在低qAr,氣體總量較小,電極兩端向等離子體放電區(qū)提供能量充足,放電空間平均電子能量足以維持高能電子與O2發(fā)生碰撞的能量提供;而隨qAr增加,電極兩端放電空間平均電子能量降低,導致在qAr=4~6 L·min-1,O(777.4 nm)相對光譜強度隨電壓變化增大。

        圖3 不同工況下O原子相對光譜強度

        2.3 qAr、U調(diào)對OH(313.4 nm)光譜發(fā)射強度的影響

        圖4為不同電壓下qAr對空氣滑動弧放電等離子體產(chǎn)生OH(313.4 nm)相對光譜強度影響。從圖4中可看到,加入Ar使OH(313.4 nm)相對光譜強度明顯增加,隨著qAr增大,OH(313.4 nm)相對光譜強度先增大再減小并趨于穩(wěn)定。究其原因,加入Ar促進了潘寧解離效應(yīng),H2O分子與自由電子碰撞幾率增大,從而增大了OH(313.4 nm)相對光譜強度。隨qAr增大,Ar亞穩(wěn)態(tài)與Ar*激發(fā)態(tài)粒子濃度增大,從而增強了潘寧解離效應(yīng)及H2O分子與Ar*激發(fā)態(tài)粒子的碰撞幾率,使得OH(313.4 nm)相對光譜強度明顯增大。隨qAr繼續(xù)增大,Ar*激發(fā)態(tài)粒子對能量消耗增大,導致高能電子獲得能量減小,使得OH(313.4 nm)相對光譜強度有少量降低并趨于穩(wěn)定。從圖4中還可以看到,在較低U調(diào)(100 V),OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr變化不明顯,這可能因為在低電壓時輸入能量密度較小,而O2分子及Ar*激發(fā)態(tài)粒子對自由電子的捕捉能力較強,使得H2O分子與自由電子碰撞頻率較小。而隨電壓增大,OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr變化明顯:在低qAr(0~4 L·min-1),OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr增大而明顯增大。這可能因為隨著電壓增大,輸入能量密度增大,自由電子平均動能增大,使得H2O分子與自由電子碰撞頻率增大;另一方面,潘寧解離效應(yīng)使得H2O分子與自由電子碰撞頻率增大。從而使得OH(313.4 nm)相對光譜強度增大。在qAr=1~2 L·min-1,OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr變化不明顯,而隨電壓增大,OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr增大顯著增大。

        圖4 不同工況下OH相對光譜強度

        2.4 qAr、U調(diào)對振動溫度的影響

        圖5為不同電壓下qAr對空氣滑動弧放電等離子體振動溫度影響。如圖5所示,振動溫度在5 400~8 700 K間變化。保持電壓不變,隨qAr增大,振動溫度先增大再減小,在qAr=3 L·min-1時達到極大值??赡芤驗锳r加入使得氬亞穩(wěn)態(tài)與氮分子發(fā)生潘寧效應(yīng),氮分子與自由電子碰撞幾率增大,從而氮分子振動激發(fā)增強,使得振動溫度增大。而隨qAr增加,一方面,激發(fā)態(tài)氬原子相比自由電子獲取更多能量,導致自由電子與氮分子碰撞頻率降低;另一方面,高振動態(tài)激發(fā)態(tài)氮分子與中性氮分子碰撞頻率增大,造成振動馳豫增強,導致振動溫度到最高值后開始降低。隨U調(diào)增大,振動溫度增大,且隨qAr增大的增長趨勢也隨U調(diào)增大愈加明顯??赡芤驗殡SU調(diào)增大,滑動弧等離子體區(qū)輸入能量密度增大,自由電子平均動能增大,基態(tài)N分子與自由電子非彈性碰撞頻率增大,因此振動溫度增大。

        圖5 不同工況下振動溫度

        2.5 qAr、U調(diào)對電子密度的影響

        通過分析Hα(696.3 nm)譜線的Stark展寬,可計算等離子體電子密度。圖6為qAr對空氣滑動弧放電等離子體電子密度影響,如圖6所示,通入Ar能顯著增加電子密度,在qAr=0~4 L·min-1,電子密度增長趨勢明顯,且在1.15~2.04×1017cm-3間變化。隨qAr繼續(xù)增大,在低U調(diào)(100~120 V),電子密度先增大再減小并趨于穩(wěn)定;在高U調(diào)(140~160 V),電子密度先增大再緩慢增大并趨于穩(wěn)定。究其原因,加入Ar促進了潘寧電離效應(yīng)發(fā)生,從而提高電離效率使得電子密度增加。而隨qAr增加,在低U調(diào)(100~120 V),一方面更多能量被Ar*激發(fā)態(tài)捕獲,另一方面,氣體密度增大導致電子平均自由程減小。二者共同導致自由電子與基態(tài)粒子碰撞頻率降低,使得電子密度減小。在高U調(diào)(140~160 V),電極兩端電壓增大,輸入能量密度增大,被Ar*激發(fā)態(tài)捕獲能量占比變小,Ar*激發(fā)態(tài)對電子密度產(chǎn)生的抑制作用變小,因此,電子密度隨qAr增大有少許增大并趨于穩(wěn)定。從圖6可看到,U調(diào)變化也對電子密度造成影響。隨U調(diào)增大,電子密度增大,且增長趨勢更為明顯??赡芤驗?,一方面U調(diào)增大導致電場強度增強,自由電子能獲得更多能量而與粒子碰撞頻率增大而產(chǎn)生更高密度自由電子。另一方面,激發(fā)態(tài)氬原子會捕獲一部分能量,使得在低U調(diào),電子密度增長受到一定程度抑制;而隨U調(diào)增大,輸入能量密度增大,Ar*激發(fā)態(tài)捕獲能量占比變小,使得電子密度增長趨勢隨U調(diào)增大而增大。

        圖6 不同工況下電子密度

        3 結(jié) 論

        在大氣壓條件下利用刀片電極滑動弧等離子體發(fā)生器對空氣進行電離,并對滑動弧等離子體進行光譜特性診斷分析,探究增加Ar和改變電壓對空氣滑動弧放電等離子體的影響,結(jié)果如下:

        (1)在大氣壓條件下,空氣滑動弧等離子體中的活性粒子主要有波長分布在306~315 nm間的OH(A2Σ+→X2Π)譜帶,330~450 nm間的N2(C3Πu→B3Πg)第二正帶系,Hα(656.3 nm)及光譜強度較大的波長777.4 nm的O(3P5P0→3S5S0)及波長844.6 nm的O(3P3P→3S3S0)。當加入Ar后,增加譜線集中在680~900 nm間的ArⅠ和ArⅡ原子,可以看到,加入Ar能有效幫助空氣滑動弧放電。

        (2)空氣流量一定,加入Ar能增強O(777.4 nm)相對光譜強度,O(777.4 nm)相對光譜強度在1 580~6 650 a.u.間變化。隨qAr增大,O(777.4 nm)相對光譜強度先緩慢增長、再快速增大到極大值、隨后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。電壓對O(777.4 nm)相對光譜強度影響受qAr影響:在低qAr(0~3 L·min-1),電壓對O(777.4 nm)相對光譜強度變化趨勢影響較小,而在高qAr(4~6 L·min-1),隨電壓增大,O(777.4 nm)相對光譜強度變化趨勢有較大變化。

        (3)空氣流量一定,Ar加入使OH(313.4 nm)相對光譜強度明顯增加,OH(313.4 nm)相對光譜強度在235~311 a.u.間變化。隨qAr增大,OH(313.4 nm)相對光譜強度先增大再減小并趨于穩(wěn)定。在較低電壓(100 V)下,OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr變化不明顯;而隨電壓增大,OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr變化明顯,在低qAr(0~4 L·min-1),OH(313.4 nm)相對光譜強度隨qAr增大明顯增大。

        (4)空氣流量一定,通入Ar和增大電壓都會使振動溫度增大,振動溫度在5 400~8 700 K間變化,其中振動溫度隨Ar加入顯著增大,且隨qAr增大先增大再減小,在qAr=3 L·min-1時達到極大值。振動溫度隨U調(diào)增大而增大,且隨U調(diào)增大,振動溫度隨qAr的增長趨勢更明顯。

        (5)空氣流量一定,通入Ar和增大電壓都使電子密度增大,其中通入Ar能顯著增加電子密度,在qAr=0~4 L·min-1,電子密度增長趨勢明顯,在1.15~2.04×1017cm-3間變化。隨qAr增大,在低U調(diào)(100~120 V),電子密度先增大再減小并趨于穩(wěn)定,在高U調(diào)(120~140 V),電子密度先增大、再緩慢增大并趨于穩(wěn)定。U調(diào)變化也會影響電子密度:電子密度隨U調(diào)增大而增大,且增長趨勢變大。

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