專利名稱：飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著節(jié)能減排需求的日益迫切和航天航空領(lǐng)域超聲速和高超聲速飛行器成為主流發(fā)展方向，發(fā)展各種氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)成為主流趨勢。然而，為了在超臨界氣流中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，火焰穩(wěn)定技術(shù)是必不可少的。傳統(tǒng)的火焰穩(wěn)定技術(shù)有比如值班火焰、支板和回旋氣流等。值班火焰主要以熱能的形式將能量轉(zhuǎn)移到燃燒系統(tǒng)的氣流中，從而實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定。這種方法會明顯增加系統(tǒng)中氣流的溫度，不利于減小NOx的產(chǎn)生，而且在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中非常復(fù)雜，并不實(shí)用。支板和回旋氣流方法在實(shí)際應(yīng)用中更為方便，它們在燃?xì)饬髦挟a(chǎn)生一個回流區(qū)，能夠降低氣流速度并預(yù)熱未燃?xì)怏w，從而增加火焰的穩(wěn)定性。然而，通過回流模式把已燃?xì)怏w夾帶到未燃?xì)饬髦?，增加了氣流在反?yīng)區(qū)的駐留時間，這會導(dǎo)致NOx的顯著增多。達(dá)不到減排的目的。此外，上述方法若用到超聲速和高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)中，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的熱管理難題和總壓損失。由此可知，傳統(tǒng)的插入式穩(wěn)燃方法無法很好地解決超臨界氣流中的穩(wěn)燃難題。因此，全新的非插入式穩(wěn)燃方法成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。隨著氣流駐留時間受限于燃燒系統(tǒng)的發(fā)展，如超聲速和高超聲速飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)有效和可靠的點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定成為一個挑戰(zhàn)。在上述燃燒系統(tǒng)的燃燒室中，其氣流速度是超臨界的，所述超臨界即氣流速度大于可燃混合物的燃燒速度或火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O限，存在點(diǎn)火延遲時間長、燃燒不穩(wěn)定、火焰易熄滅的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)中存在的燃燒不穩(wěn)定、火焰易熄滅的問題，從而提供一種飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將混合氣體通入石英玻璃圓管中，并在所述石英玻璃圓管的管口處將混合氣體點(diǎn)燃，形成本生燈火焰，并使混合氣體的速度超臨界；所述混合氣體是氧氣、氮?dú)夂涂扇細(xì)怏w的混合物；步驟二、采用飛秒激光器發(fā)射飛秒激光光束，并將所述飛秒激光光束聚焦在步驟一所述的混合氣體的未燃區(qū)域，誘導(dǎo)混合氣體產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)提高火焰穩(wěn)定極限。步驟一中所述的可燃?xì)怏w為甲烷、丙烷和乙炔中的一種或幾種的組合。步驟二中采用的飛秒激光器輸出的單脈沖能量范圍在0. 5mJ 2mJ之間。步驟二中采用的飛秒激光器的重復(fù)頻率為1kHz。步驟二中采用的飛秒激光器輸出的激光脈沖脈寬約為40fs。步驟二中采用的飛秒激光器輸出的中心波長約為800nm，帶寬約為40nm。
步驟二中采用的光束聚焦在石英圓管中軸線上，位置在管口處至管口之上3倍管徑的高度范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，它包括甲烷氣瓶、氧氣瓶、氮?dú)馄俊⒓淄橘|(zhì)量流量控制器、氧氣質(zhì)量流量控制器、氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器、多通道質(zhì)量流量顯示儀、混氣罐、石英玻璃圓管、 飛秒激光器、光路系統(tǒng)、調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡、CXD成像儀和計算機(jī)；甲烷質(zhì)量流量控制器用于測量和控制甲烷氣瓶流出氣體的流量；氧氣質(zhì)量流量控制器用于測量和控制氧氣氣瓶流出氣體的流量；氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器用于測量和控制氮?dú)鈿馄苛鞒鰵怏w的流量；甲烷質(zhì)量流量控制器的測量信號輸出端、氧氣質(zhì)量流量控制器的測量信號輸出端和氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器的測量信號輸出端分別與質(zhì)量流量顯示儀的三個測量信號輸入端連接；控制甲烷氣瓶的出氣口、氧氣氣瓶的出氣口和氮?dú)鈿馄康某鰵饪诜謩e與混氣罐的四個進(jìn)氣口連通；混氣罐的出氣口與石英玻璃圓管的進(jìn)氣口連通；該石英玻璃圓管的頂端產(chǎn)生火焰，飛秒激光器產(chǎn)生的飛秒激光光束通過光路系統(tǒng)聚焦在所述的混合氣體的未燃區(qū)域；CCD成像儀的光輸入端處設(shè)置有調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡，CCD成像儀用于通過調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡采集火焰的圖像；CCD成像儀的信號輸出端與計算機(jī)連接。有益效果本發(fā)明基于飛秒激光重頻高、脈寬窄和峰值功率高的特點(diǎn)，將激光光束聚焦在混合氣體未燃區(qū)域，會形成一個穩(wěn)定的熱源和高活性粒子源。飛秒激光誘導(dǎo)的等離子體中含有大量的活性自由基、原子和分子碎片，這些活性粒子誘發(fā)并加速燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度，加快化學(xué)反應(yīng)放熱，提高燃?xì)獾臏囟?，從而有效提高燃料的燃燒效率，形成一個以等離子體核為頂點(diǎn)的穩(wěn)定火焰，提高火焰的穩(wěn)定性，擴(kuò)展火焰的穩(wěn)定極限，保證火焰不易熄滅。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將混合氣體通入石英玻璃圓管中，并在所述石英玻璃圓管的管口處將混合氣體點(diǎn)燃，形成本生燈火焰，并使混合氣體的速度超臨界；所述混合氣體是氧氣、氮?dú)夂涂扇細(xì)怏w的混合物；步驟二、采用飛秒激光器發(fā)射飛秒激光光束，并將所述飛秒激光光束聚焦在步驟一所述的混合氣體的未燃區(qū)域，誘導(dǎo)混合氣體產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)提高火焰穩(wěn)定極限。
具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟一中所述的可燃?xì)怏w為甲烷、丙烷和乙炔中的一種或幾種的組合。
具體實(shí)施方式
三、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟一中所述的混合氣體為氧氣、氮?dú)夂图淄榈幕旌衔铮黾淄榈捏w積百分比的范圍是4. 8% 18. 8%;氧氣的體積百分比的范圍是 16. 9% 21. 8% ；氮?dú)獾捏w積百分比是62. 5% 75. 8%之間。
具體實(shí)施方式
四、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的飛秒激光器的波長和功率可調(diào)，通過調(diào)整棱鏡角度和輸入電功率實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施方式
五、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的飛秒激光器輸出的單脈沖能量范圍在0. 5mJ 2mJ之間。
具體實(shí)施方式
六、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的飛秒激光器的重復(fù)頻率為 IkHz。
具體實(shí)施方式
七、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的飛秒激光器輸出的激光脈沖脈寬約為40fs。
具體實(shí)施方式
八、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的飛秒激光器輸出的中心波長約為800nm，帶寬約為40nm。
具體實(shí)施方式
九、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法的區(qū)別在于，步驟二中采用的光束聚焦在石英圓管中軸線上，位置在管口處至管口之上3倍管徑的高度范圍內(nèi)。
具體實(shí)施方式
十、結(jié)合圖1說明本具體實(shí)施方式
，實(shí)現(xiàn)具體實(shí)施方式
一所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的裝置，它包括甲烷氣瓶1、氧氣瓶2、氮?dú)馄?、甲烷質(zhì)量流量控制器4、氧氣質(zhì)量流量控制器5、氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6、多通道質(zhì)量流量顯示儀7、混氣罐8、石英玻璃圓管9、飛秒激光器14、光路系統(tǒng)13、調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡12、CXD 成像儀11和計算機(jī)10 ；甲烷質(zhì)量流量控制器4用于測量和控制甲烷氣瓶1流出氣體的流量；氧氣質(zhì)量流量控制器5用于測量和控制氧氣氣瓶2流出氣體的流量；氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6用于測量和控制氮?dú)鈿馄?流出氣體的流量；甲烷質(zhì)量流量控制器4的測量信號輸出端、氧氣質(zhì)量流量控制器5的測量信號輸出端和氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6的測量信號輸出端分別與質(zhì)量流量顯示儀7的三個測量信號輸入端連接；控制甲烷氣瓶1的出氣口、氧氣氣瓶2的出氣口和氮?dú)鈿馄?的出氣口分別與混氣罐8的四個進(jìn)氣口連通；混氣罐8的出氣口與石英玻璃圓管 9的進(jìn)氣口連通；該石英玻璃圓管9的頂端產(chǎn)生火焰，飛秒激光器14產(chǎn)生的飛秒激光光束通過光路系統(tǒng)13聚焦在所述的混合氣體的未燃區(qū)域；CCD成像儀11的光輸入端處設(shè)置有調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡12，CXD成像儀11用于通過調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡12采集火焰的圖像；CXD成像儀11的信號輸出端與計算機(jī)10連接。
具體實(shí)施方式
十一、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
十所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的裝置的區(qū)別在于，飛秒激光器14的激光中心波長為 800nm,帶寬約為40nm，單脈沖能量0. 5 2mJ，重復(fù)頻率IkHz。本實(shí)施方式中，采用的混氣罐8中的混合氣體分別為氧氣、甲烷和氮?dú)?，所述的飛秒激光器14是由Coherent Inc.制造的legend-UPS Ti sapphire啁啾脈沖放大系統(tǒng)。本實(shí)施方式所述混氣罐8的混合氣體中甲烷的體積百分比的范圍在4. 8% 18. 8%之間；氧氣的體積百分比的范圍在16. 9% 21. 8%之間；氮?dú)獾捏w積百分比在 62. 5%~ 75. 8%之間。
權(quán)利要求
1.飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法，其特征是它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將混合氣體通入石英玻璃圓管中，并在所述石英玻璃圓管的管口處將混合氣體點(diǎn)燃，形成本生燈火焰，并使混合氣體的速度超臨界；所述混合氣體是氧氣、氮?dú)夂涂扇細(xì)怏w的混合物；步驟二、采用飛秒激光器發(fā)射飛秒激光光束，并將所述飛秒激光光束聚焦在步驟一所述的混合氣體的未燃區(qū)域，誘導(dǎo)混合氣體產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)提高火焰穩(wěn)定極限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟一中所述的可燃?xì)怏w為甲烷、丙烷和乙炔中的一種或幾種的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟一中所述的混合氣體為氧氣、氮?dú)夂图淄榈幕旌衔铮黾淄榈捏w積百分比的范圍是4. 8% 18.8% ；氧氣的體積百分比的范圍是16. 9% 21. 8% ；氮?dú)獾捏w積百分比是62. 5% 75. 8%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟二中采用的飛秒激光器輸出的單脈沖能量范圍在0. 5mJ 2mJ之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟二中采用的飛秒激光器的重復(fù)頻率為1kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟二中采用的飛秒激光器輸出的激光脈沖脈寬約為40fs。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于步驟二中采用的飛秒激光器輸出的中心波長約為800nm，帶寬約為40nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法， 其特征在于，步驟二中所述的飛秒激光光束聚焦在石英圓管中軸線上，并且位于管口至管口之上3倍管徑的高度范圍內(nèi)。
9.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的裝置，其特征是它包括甲烷氣瓶(1)、氧氣瓶O)、氮?dú)馄?3)、甲烷質(zhì)量流量控制器G)、氧氣質(zhì)量流量控制器(5)、氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器(6)、多通道質(zhì)量流量顯示儀(7)、混氣罐(8)、石英玻璃圓管(9)、飛秒激光器(14)、光路系統(tǒng)(13)、調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡(U)、CCD成像儀(11)和計算機(jī) (10)；甲烷質(zhì)量流量控制器(4)用于測量和控制甲烷氣瓶(1)流出氣體的流量；氧氣質(zhì)量流量控制器(5)用于測量和控制氧氣氣瓶(2)流出氣體的流量；氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器(6)用于測量和控制氮?dú)鈿馄竣橇鞒鰵怏w的流量；甲烷質(zhì)量流量控制器⑷的測量信號輸出端、 氧氣質(zhì)量流量控制器( 的測量信號輸出端和氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器(6)的測量信號輸出端分別與質(zhì)量流量顯示儀⑵的三個測量信號輸入端連接；控制甲烷氣瓶⑴的出氣口、氧氣氣瓶O)的出氣口和氮?dú)鈿馄?3)的出氣口分別與混氣罐(8)的四個進(jìn)氣口連通；混氣罐(8)的出氣口與石英玻璃圓管(9)的進(jìn)氣口連通；該石英玻璃圓管(9)的頂端產(chǎn)生火焰， 飛秒激光器(14)產(chǎn)生的飛秒激光光束通過光路系統(tǒng)(1 聚焦在所述的混合氣體的未燃區(qū)域；CCD成像儀(11)的光輸入端處設(shè)置有調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡(1 ，CCD成像儀(11)用于通過調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡(1 采集火焰的圖像；CXD成像儀(11)的信號輸出端與計算機(jī)(10)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的裝置，其特征在于飛秒激光器(14)的激光中心波長為800nm，帶寬約為40nm，單脈沖能量 0. 5 2mJ，重復(fù)頻率IkHz。
全文摘要
飛秒激光誘導(dǎo)等離子體提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，涉及一種提高氣體碳?xì)淙剂戏€(wěn)燃極限的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。它解決了現(xiàn)有氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)中存在的燃燒不穩(wěn)定、火焰易熄滅的問題。方法在所述石英玻璃圓管的管口處將混合氣體點(diǎn)燃，形成本生燈火焰，并使混合氣體的速度超臨界；采用飛秒激光器發(fā)射飛秒激光光束，并將所述飛秒激光光束聚焦在混合氣體的未燃區(qū)域誘導(dǎo)混合氣體產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)提高火焰穩(wěn)定極限。裝置混氣罐的出氣口與石英玻璃圓管的進(jìn)氣口連通；石英玻璃圓管的頂端產(chǎn)生火焰，飛秒激光器產(chǎn)生的飛秒激光光束聚焦在混合氣體的未燃區(qū)域。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各種氣流速度超臨界的燃燒系統(tǒng)的設(shè)計中。
文檔編號F03H1/00GK102287349SQ20111014872
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者于欣, 伊亞超, 劉輝, 孫軍, 孫銳, 彭江波, 楊曉川, 王春紅, 陳德應(yīng) 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)