甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体,能够产生大量的电子、离子、激发态粒子和活性基团,在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能,而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程,使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。本实验通过发射光谱测量,分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种（OH,CH和C₂）,测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量（放电电压、混合当量比）变化的规律。对于非预混情况,实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大,火焰总体长度变短,火焰面出现褶皱,火焰根部蓝色区域面积不断扩大,在22 kV时,大约占总火焰面积的1/2。对火焰根部的发射光谱测量结果表明,当电压达到16 kV时,发射光谱明显增强,而当电压进一步增大到22 kV时,这些自由基粒子的光谱强度却出现下降,这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大,导致燃烧区发生移动远离喷口,使采集到的火焰根部区域变小造成的。另外,研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程,实验发现燃料当量比为2时,OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C₂(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小,反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。     

瞬态发射光谱法研究正十二烷燃烧反应特性

采用加热激波管和增强型CCD瞬态光谱测量系统,在波长范围200~900nm,点火压力4.0atm,点火温度(1 200~1 300)K,当量比0.5、1.0和2.0的条件下,实时测得了正十二烷/空气和正十二烷/氧气/氩气燃烧过程的瞬态发射光谱.结果表明:燃烧过程在此波段内的主要发射光谱带归属于反应中间产物OH、CH和C2自由基;在不同当量比条件下,燃烧过程中OH(306.4nm)/CH(431.4nm)/C2(516.4nm)的光谱强度显著不同,贫油情形有利于OH自由基生成,富油情形有利于C2自由基生成;浴气的不同会导致燃料燃烧温度的不同,从而引起燃料燃烧发射光谱的不同.所测燃烧反应自由基的时间分辩光谱直观反映出正十二烷燃烧过程中重要中间产物OH、CH和C2的变化情况.研究结果有助于认识正十二烷燃烧反应特性和验证其燃烧反应机理.     

甲烷湍流射流火焰锋面结构的激光PLIF测量

利用OH-PLIF技术,研究了甲烷空气预混射流火焰,在不同出口雷诺数下,不同氮气稀释比例下火焰OH自由基的二维分布以及火焰的前锋面结构特性,以此实现对柔和燃烧的基础特性研究。实验结果显示,在获得大量氮气稀释后,预混火焰的OH浓度峰值减少了30%以上,并且整个燃烧反应明显延迟,但火焰面面密度没有发生明显变化。同时发现,改变出口雷诺数对火焰OH浓度影响较小,但是增加出口雷诺数可以扩大燃烧反应区。     

双模式放电中DBD放电参数对甲烷滑动弧火焰光谱及活性粒子的影响分析

对未燃烧的可燃混合气体进行DBD放电,放电后会产生大量的活性粒子,这些活性粒子可以辅助气体燃烧,达到提高燃料燃烧利用率等目的。以DBD激励氩气、甲烷、空气产生的自由基（CH基和OH基）等强化燃烧的关键活性粒子为探索对象,研究DBD放电激励甲烷对滑动弧火焰的影响。为此,采用自主设计的DBD-滑动弧双模式等离子体激励器,利用同轴介质阻挡放电结构对氩气、甲烷、空气混合气进行放电激励,将激励后的氩气、甲烷、空气混合气通入滑动弧端进行点火。固定氩气流量不变,调整空气流量为4.76 L·min-1,并加入甲烷0.5 L·min-1,保证进气通道内氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶（CH₄+Air）=1∶30,其中空气、甲烷这两种气体达到了化学燃烧当量比φ=1,氩气、甲烷、甲烷混合气体能实现均匀而稳定的放电并燃烧。DBD段放电电压在15～20 kV范围变化,放电频率在6～10 kHz范围变化,滑动弧段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定,通过改变DBD段放电电压和放电频率,用高速光纤光谱仪检测滑动弧火焰中自由基种类及其光谱强度,分析放电参数激励甲烷对火焰中自由基（CH基和OH基）的影响。结果表明,DBD段放电电压及放电频率的增加可以促进火焰内部的偶联反应发生,可有效提升甲烷滑动弧火焰内部的活性粒子含量,其中OH基团、CH基团在燃烧链式化学反应进程中发挥着较为重要的作用。甲烷经过DBD激励后,随放电电压和频率的增加,火焰中OH基、CH基等主要活性粒子都随之增加。DBD放电后,活性粒子的光谱强度增大,特征谱线比单模式更加明显;甲烷经过DBD激励后,火焰组成发生了变化,滑动弧段出口处甲烷燃烧反应更加充分,火焰温度越高越容易产生OH基。与单模式滑动弧相比,双模式放电可有效促进火焰内部的链式化学反应进程,促进燃料燃烧。     

基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

高光谱技术提供了空间和光谱维度的信息,同时基于传统黑体模型的实验技术和计算方法不适用于甲烷火焰的辐射特性,而火焰中自由基的高光谱信息反映了火焰结构、组分浓度分布等燃烧的多方面特征,能够为燃烧模型的完善提供依据。利用高光谱技术在不同当量比和不同流量下研究了甲烷预混火焰中自由基的空间和光谱特性。对不同当量比的研究表明,随着当量比的增加,火焰中心处的CH*和C*₂自由基的辐射强度先增加后降低,而燃烧区域内二者的平均辐射强度一直增加,火焰中心处的点可以表征局部的燃烧状态,而燃烧区域内辐射均值表征热释率等整体燃烧状态,定量给出了两种方法的不同趋势。火焰中心处的CH*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值,而C*₂自由基辐射强度在当量比为1.12时达到峰值,两种自由基的辐射峰值可以分别作为燃烧中反应强度和稳定性的判据。当量比可以由C*₂和CH*辐射强度之比来表征,修正了C*₂/CH*和当量比的线性关系,提出应使用燃烧区域内C*₂和CH*的平均辐射强度之比,并提出了该比值与当量比的二次关系。利用高光谱技术生成了燃烧区域内C*₂/CH*的云图,得到了详细的空间信息,当量比大于1时,首次在火焰面附近发现了明显的过渡区,体现了高光谱技术的优势。对当量比保持不变情况下的不同流量的研究表明,随着流量的增加,火焰高度增加,而火焰顶部和火焰中心的自由基的浓度分布基本不发生变化,揭示了实验工况下流动的特征时间远小于化学反应特征时间,化学反应过程未受到明显影响。应用高光谱较好的识别出了火焰中的多种自由基,研究了甲烷层流预混火焰中自由基辐射特性及其随着不同当量比和流量变化的趋势,对燃烧现象和机理的认识具有重要意义。     

甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一,它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、拉伸率、氧燃当量比和热释放速率等特征信息,因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象,采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算,对OH*自由基的二维分布特性进行研究,分析不同区域内OH*自由基的生成路径,并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。模拟结果与实验研究基本吻合,表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。结果表明：在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中,OH*自由基存在两种不同形态的分布区域,分别由反应CH+O₂=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成;随着氧燃当量比提高,OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张,根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断;如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态,则说明火焰处于贫氧燃烧状态。如果OH*分布呈环状形态,则说明火焰处于富氧燃烧状态;相同氧气流量条件下,缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度,从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高,增强OH*化学发光的辐射强度,提高火焰光谱诊断的准确性。     

正癸烷燃烧反应中OH,CH和C2自由基的瞬态发射光谱

采用ICCD瞬态光谱测量系统和加热激波管,在点火压力2.0atm,点火温度1 100～1 600K,当量比1.0,燃料摩尔分数1.0%条件下,实时测得了正癸烷/氧气/氩气燃烧过程的瞬态发射光谱,光谱范围200～850nm。结果显示燃烧过程中主要发射光谱带归属于小分子中间产物OH,CH和C2自由基,光谱强度的变化反映了燃烧过程中三种自由基浓度的变化历程;正癸烷燃烧过程中光谱强度峰值之比大于同为链烷烃的正庚烷相应OH/CH峰强度之比,揭示出两种链烃燃烧反应机理有较大差异。实验还获得了正癸烷燃烧过程中能显示谱带转动结构的CH和C2高分辨特征发射光谱。实验结果对了解正癸烷燃烧性质和验证正癸烷燃烧反应机理很有意义。     

壁面作用下预混火焰淬熄及OH自由基分布特性

当反应器容积变小时,壁面对燃烧火焰自由基分布的影响越来越显著。本文采用PLIF设备实验研究甲烷/空气预混燃烧火焰中OH自由基在近壁面附近的行为,考察了壁面材料、出口气体流速、过量空气系数和壁面间距对OH自由基的分布特性、最大荧光强度和淬熄距离的影响。研究发现:最大荧光强度最高的材料为304钢,最低的为镁合金AZ31B;淬熄距离最小的材料为304钢,最大的为镁合金AZ31B;最大OH自由基荧光强度越大,熄火间距就会越小;出口气体流速的增加使火焰的最大荧光强度减少,使得OH自由基更易淬熄,造成淬熄距离较大;减小过量空气系数,最大荧光强度会增加;当壁面间距为7 mm时,出现两块独立的OH区域,中部几乎不存在OH自由基。     

二维偏振光谱技术对燃烧场的诊断

利用单脉冲激光诱导偏振光谱技术测量了甲烷/空气预混火焰、酒精灯火焰和固体燃剂燃烧场中OH的二维分布。简述了激光诱导偏振光谱技术的基本原理和二维测量的实验方法;通过测量火焰中OH自由基A~2∑~+-X~2∏(0,0)跃迁带中Q1(8)吸收线的强度,获得了燃烧场中OH的二维分布。实验结果对了解火焰构造,研究燃烧机理等有一定的参考价值。     

正庚烷燃烧反应中间自由基的光谱测量

采用ICCD瞬态光谱探测系统和化学激波管,在点火温度1 408K,点火压力2.0atm,燃料摩尔分数1.0%,当量比1.0的条件下,拍摄了正庚烷燃烧过程中不同时刻的瞬态发射光谱,光谱曝光时间6μs,拍谱范围200～850nm。确认了在所拍光谱范围内主要是OH,CH和C2自由基的特征辐射光谱,表明小自由基OH,CH和C2是正庚烷燃烧过程中重要的反应中间产物。所拍时间分辨光谱显示,在正庚烷燃烧反应中,OH,CH和C2自由基一出现很快就达到其浓度峰值,但CH和C2自由基随着反应的进行迅速减少至消失,OH自由基持续的时间却长很多。实验结果为了解正庚烷燃烧反应微观过程和验证其燃烧反应机理提供了实验依据。     

大学一年级物理实验教学的对策

分析了中学物理实验教学现状,指出大学与中学物理实验教学衔接存在的问题,根据现代教育理论,提出了大学一年级物理实验教学的对策。     

自制动量矩守恒演示仪

本文介绍了一种自制的动量矩守恒演示仪，该仪器具有小巧、美观、灵活、稳定、方便等特点。     

用分光计测棱镜折射率的不确定度评定

本文根据国内不确定度概念在物理实验中的简化作法，对用分光计测棱镜折射率实验进行了不确定度的分析。     

力学量算符的本征函数的计算

给出一种利用升或降算符力学量算符本征函数一般表达形式的方法，这种方法比其它方法简单得多。     

落球法测液体的粘滞系数小球收尾速度的研究

从理论上推导了在液面下的小球何时达到收尾速度公式，并给出一组实验数据，得出小球从液面自由下落时很快能达到收尾速度的结论。     

钨酸锌激光晶体的光谱测量

用基质晶片作参比,测量了Cu+、Er3+等离子激活的钨酸锌晶体的光谱,并进行了分析讨论,发现激活离子与基质晶格之间存在能量传递过程.晶体在可见光区有比较强的荧光.     

固定化光合细菌包埋颗粒内底物传输特性

本文分析了在不同操作条件下固定化光合细菌包埋颗粒内的底物传输特性,得到入射光照强度、培养温度和培养基pH值等操作参数对包埋颗粒内底物传输Thiele模数、内扩散有效因子的影响.分析发现Thiele模数随实验参数变化呈先增加后下降变化趋势,内扩散有效因子则呈相反的变化趋势,表明了当操作条件越适于光合细菌生长代谢,内扩散速率对包埋颗粒内底物消耗的限制性影响越明显.较低的Thiele模数表明包埋颗粒内底物消耗主要为反应控制过程.     

溶液折射率公式的一种验证方法

给出了通过阿贝折射仪测溶液折射率和百分比浓度来验证其折射率公式的一种方法。     

晶柱粘连对CsI:Na转换屏分辨特性的影响

本文用MonteCarlo方法研究了CsI:Na转换屏中晶柱之间的粘连对其空间分辨特性的影响,给出了不同粘连程度下可见光在转换屏中的点扩展函数及相应的MTF曲线.通过几种不同粘连系数下模拟结果的比较可见,要获得一个高分辨的转换屏应尽可能减小晶柱之间的粘连.对于一个实际的转换屏其粘连系数至少应在40%以下,最好控制在20%以内.     

热功当量实验中水的终温修正的研究

本文通过对量热器中水的传热过程的理论分析和实验比较,证明应该用牛顿冷却定律修正量热器中水的终温。