CN103982910A - 激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的方法及装置，所述方法为：步骤一、将可燃气体通入燃烧器喷嘴，调节气流速度使其处于超临界状态；步骤二、金属靶放置在喷嘴上方并与喷嘴相切，激光器输出的激光入射到透镜，经透镜聚焦到金属靶表面烧蚀金属靶产生等离子体，可燃气体形成的火焰经相机拍摄，测量可燃气体的吹熄极限。所述装置包括氧化剂气源、燃料气源、质量流量计、配气系统、喷嘴、金属靶、激光器、透镜、相机。本发明基于激光烧蚀金属靶等离子体击穿阈值低的特点，通过烧蚀金属靶在混合燃气中产生等离子体，形成稳定的局部热源和活性粒子源。本发明适用于提高气流速度超临界燃烧系统中可燃气体的吹熄极限。

Description

激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种提高可燃气体吹熄极限的方法及装置。

背景技术

随着超声速和高超声速飞行器的发展，各种气流速度超临界燃烧系统成为研究热点。超临界气流的速度远大于火焰传播速度，火焰极易被吹熄，严重影响了燃烧系统的工作稳定性和飞行安全。为了防止火焰熄灭，必须解决气流速度与火焰传播速度不匹配的问题，需要在燃烧系统中设置稳燃装置。稳燃可通过降低气流速度和提高火焰传播速度两种方式来实现，但降低气流速度将引起燃料利用率低，燃烧室热管理等问题，因此采用非介入式的稳燃方法提高火焰传播速度成为当前的研究热点。等离子体助燃技术正是这样一种非介入式的稳燃手段，它通过等离子体的作用将燃料和氧化剂电离、解离、激发，成为活性分子、原子、自由基等，从而促进混合燃气的燃烧化学反应进程，提高可燃气体的火焰传播速度和吹熄极限。   

发明内容

为了解决现有气流速度超临界燃烧系统中存在的燃烧不稳定、火焰易吹熄的问题，同时通过激光烧蚀金属靶解决所需激光脉冲能量高、功耗大、不利于工程应用的问题，本发明提供了一种激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的方法及其装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的方法，它由如下步骤实现：

步骤一、将可燃气体通入燃烧器喷嘴，调节气流速度使其处于超临界状态；

步骤二、金属靶放置在喷嘴上方并与喷嘴相切，激光器输出的激光入射到透镜，经透镜聚焦到金属靶表面烧蚀金属靶产生等离子体，可燃气体形成的火焰经相机拍摄，测量可燃气体的吹熄极限。

一种实现上述方法所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，包括氧化剂气源、燃料气源、氧化剂气源质量流量计、燃料气源质量流量计、配气系统、喷嘴、金属靶、相机以及沿光轴方向依次设置的激光器和透镜；所述燃料气源的出气口与燃料气源质量流量计的入气口相连，氧化剂气源的出气口与氧化剂气源质量流量计的入气口相连，氧化剂气源质量流量计和燃料气源质量流量计的出气口与配气系统的入气口相连，配气系统的出气口与喷嘴的入气口相连，金属靶放置在喷嘴上方并与喷嘴相切，喷嘴位于透镜的前方，透镜的焦点位于金属靶的表面，相机位于喷嘴的一侧垂直于激光光路放置用于拍摄可燃气体形成的火焰。激光器输出的激光入射到透镜，经透镜聚焦到金属靶表面。可燃气体形成的火焰经相机拍摄，测量可燃气体的吹熄极限。

本发明基于激光烧蚀金属靶等离子体击穿阈值低的特点，通过烧蚀金属靶在混合燃气中产生等离子体，形成稳定的局部热源和活性粒子源。等离子体中含有大量的活性分子、原子和自由基，这些活性基团加速了燃烧链式反应的进行，提高了可燃气体的火焰的传播速度和吹熄极限。本发明适用于提高气流速度超临界燃烧系统中可燃气体的吹熄极限。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，包括氧化剂气源1、燃料气源2、氧化剂气源质量流量计3、燃料气源质量流量计4、配气系统5、喷嘴6、金属靶7、相机10以及沿光轴方向依次设置的激光器9和透镜8；所述燃料气源2的出气口与燃料气源质量流量计4的入气口相连，氧化剂气源1的出气口与氧化剂气源质量流量计3的入气口相连，氧化剂气源质量流量计3和燃料气源质量流量计4的出气口与配气系统5的入气口相连，配气系统5的出气口与喷嘴6的入气口相连，金属靶7放置在喷嘴6上方并与喷嘴6相切，喷嘴6位于透镜8的前方，透镜8的焦点位于金属靶7的表面，相机10位于喷嘴6的一侧垂直于激光光路放置用于拍摄可燃气体形成的火焰。燃料和氧化剂的流量通过质量流量计控制，通过调节质量流量计使可燃气体的气流速度处于超临界状态。

使用时，将可燃气体通入喷嘴，调节气流速度使其处于超临界状态；激光器输出的激光入射到透镜，经透镜聚焦到金属靶表面烧蚀金属靶产生等离子体，可燃气体形成的火焰经相机拍摄，测量可燃气体的吹熄极限。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述燃料为甲烷、丙烷、氢气、天然气中的一种；氧化剂为氮气/氧气混合气，且氧气的体积分数为5-100%。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，所述激光器为脉冲固体激光、脉冲准分子激光的一种，激光波长为1064 nm及其高阶倍频、694.3nm及其高阶倍频、308 nm、248 nm的一种，激光重频为10-1000 Hz，激光脉冲能量为2-2000 mJ。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是，所述透镜焦距为5-2000 mm。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是，所述聚焦点的位置距离喷嘴出口端面5倍喷嘴直径范围内。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是，所述金属靶的材料为钽、钨、铼、钛、不锈钢、铝合金等材料的一种。

Claims (10)

1.一种激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述装置包括氧化剂气源、燃料气源、氧化剂气源质量流量计、燃料气源质量流量计、配气系统、喷嘴、金属靶、相机以及沿光轴方向依次设置的激光器和透镜；所述燃料气源的出气口与燃料气源质量流量计的入气口相连，氧化剂气源的出气口与氧化剂气源质量流量计的入气口相连，氧化剂气源质量流量计和燃料气源质量流量计的出气口与配气系统的入气口相连，配气系统的出气口与喷嘴的入气口相连，金属靶放置在喷嘴上方并与喷嘴相切，喷嘴位于透镜的前方，透镜的焦点位于金属靶的表面，相机位于喷嘴的一侧垂直于激光光路放置用于拍摄可燃气体形成的火焰。

2.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述燃料为甲烷、丙烷、氢气、天然气中的一种。

3.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述氧化剂为氮气/氧气混合气，且氧气的体积分数为5-100%。

4.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述激光器为脉冲固体激光、脉冲准分子激光的一种。

5.根据权利要求4所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述激光波长为1064 nm及其高阶倍频、694.3 nm及其高阶倍频、308 nm、248 nm的一种。

6.根据权利要求4所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述激光重频为10-1000 Hz，激光脉冲能量为5-2000 mJ。

7.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述透镜焦距为5-2000 mm。

8.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述聚焦点的位置距离喷嘴出口端面5倍喷嘴直径范围内。

9.根据权利要求1所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置，其特征在于所述金属靶的材料为钽、钨、铼、钛、不锈钢、铝合金中的一种。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述的激光烧蚀金属靶等离子体提高可燃气体吹熄极限的装置提高可燃气体吹熄极限的方法，其特征在于所述方法由如下步骤实现：

步骤一、将可燃气体通入燃烧器喷嘴，调节气流速度使其处于超临界状态；

步骤二、金属靶放置在喷嘴上方并与喷嘴相切，激光器输出的激光入射到透镜，经透镜聚焦到金属靶表面烧蚀金属靶产生等离子体，可燃气体形成的火焰经相机拍摄，测量可燃气体的吹熄极限。