纳秒重复脉冲放电与表面微波放电在火焰稳定和点火方面的比较

《Combustion and Flame》：Comparison between nanosecond repetitively pulsed and surface microwave discharges for flame stabilization and ignition

等离子体辅助燃烧中，微波（MW）和纳秒重复脉冲（NRP）放电对贫燃火焰稳定及点火性能的对比研究。通过同一燃烧器平台的实验，发现NRP放电在扩展火焰熄灭极限（LBO）方面（17-45%）显著优于MW放电（5-10%），但MW在能量效率（60W等离子体功率）和结构简化方面更具工业应用潜力。光谱分析证实MW等离子体仍保持非平衡态，离子化度<0.3%，加热温度<700K。

　　

Renaud Gablier | Joey Kim Soriano | Jean-Baptiste Perrin-Terrin | Yuji Ikeda | Christophe O. Laux

巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心（CNRS），CentraleSupélec，EM2C实验室，吉夫-叙尔-伊维特（Gif-sur-Yvette，法国）

摘要

等离子体辅助燃烧（PAC）被广泛研究用于提高燃烧系统的运行极限。非平衡等离子体在PAC中具有优势，因为它们能够在产生强化学效应的同时实现低焦耳加热。PAC中使用了多种非平衡等离子体源，尤其是纳秒重复脉冲（NRP）和微波（MW）放电。微波放电的优点在于只需要一个电极，这有助于其在工业应用中的集成。微波放电在火焰点火方面已经显示出有希望的结果，但在贫燃火焰稳定方面的研究尚不足。另一方面，NRP放电在贫燃火焰稳定、点火以及贫燃吹脱（LBO）极限扩展方面的研究更为深入。然而，由于这两种放电在燃烧器中的集成方式存在很大差异，因此很难对它们进行定量比较。在这项工作中，我们将一个历史上使用NRP放电的预混CH₄-空气钝体稳定燃烧器改造为适用于表面微波放电的燃烧器。我们定量比较了NRP放电和微波放电在贫燃火焰稳定和点火方面的性能。研究发现，当等离子体功率为60瓦时，微波放电可以将LBO极限扩展约5-10%（火焰功率范围为2至16千瓦）；而在相同的等离子体功率下，NRP放电可以将LBO极限扩展约17-45%。这种差异归因于NRP放电产生的等离子体体积更大，因为它能够填充更多的再循环区域，而微波放电则主要集中在钝体表面附近。两种放电方式的最小点火能量分别为：微波放电需要500毫焦耳，NRP放电需要13毫焦耳。NRP放电由于具有更强的电场，因此所需的击穿能量更少。最后，对微波等离子体的光发射光谱分析证实，该等离子体处于非平衡状态，气体加热程度较低（<700 K），电离度也较低（<0.3%）。

创新性与重要性声明

本研究定量比较了微波（MW）和纳秒重复脉冲（NRP）放电在贫燃吹脱极限扩展和火焰点火方面的效果。据作者所知，这是首次在同一燃烧器上对等离子体辅助燃烧（PAC）中使用微波和NRP放电进行定量比较。实验装置通常是根据特定类型的放电方式设计的，每种放电方式都有其独特的集成挑战（如电极几何形状和位置、在燃烧器中的集成方式等），因此能够在这两种放电方式之间切换的设施并不常见。这项工作的意义在于它展示了这两种技术的优点和缺点，并量化了它们在同一装置上的效果。这种类型的比较可以为工业界选择最适合大规模应用的等离子体源提供指导。此外，研究还表明，火焰中的微波等离子体处于热化学非平衡状态，其能量效率接近NRP放电。

引言

等离子体辅助燃烧（PAC）如今已成为贫燃火焰稳定和点火的一种有前景的技术。在PAC过程中，等离子体通常在非平衡条件下生成，此时电子温度高于气体温度。在这种条件下，输入的能量主要转移到电子上，而不是用于气体的整体加热（即焦耳加热）。高能电子可以更有效地驱动所需的燃烧机制。在PAC应用中出现了多种等离子体源，包括纳秒重复脉冲（NRP）放电、微波（MW）放电、滑动弧或介质阻挡放电[1]。然而，由于等离子体生成系统在燃烧室中的集成较为复杂，因此很难在同一燃烧器上比较不同等离子体源的性能。在这项研究中，i-Lab.公司（专门从事微波发生器的研究）与EM2C实验室（专门研究NRP放电在PAC中的应用）的合作，使我们能够在EM2C实验室的Mini-PAC燃烧器中比较微波和NRP放电的性能。

NRP放电是效率最高的非平衡等离子体生成方法之一，在PAC中得到了广泛应用。许多研究利用NRP放电来实现火焰稳定、贫燃吹脱（LBO）极限扩展、燃烧动态控制、点火或污染物排放减少[[2], [3], [4], [5]]。

与NRP放电相比，微波放电在PAC中的研究较少[[6], [7]]；不过，最近微波发生器的硬件在能效和紧凑性方面有所改进。此外，微波放电只需要一个电极即可生成等离子体，这有利于其在工业燃烧系统中的集成。

本工作的第一个目标是表征PAC条件下的微波等离子体特性，并找到最佳的火焰稳定和点火条件。第二个目标是比较微波放电与NRP放电在PAC条件下的性能。

燃烧器及电极集成介绍

燃烧器及电极集成介绍

实验是在Mini-PAC燃烧器上进行的，该燃烧器为实验室规模，工作在大气压下，使用预混的甲烷/空气混合物。预混火焰在钝体后形成的再循环区域（RZ）中稳定。

燃烧器由内径为16毫米的Macor管制成，钝体插入其中。如图1所示，钝体由三部分组成：顶部是钛制的微波平面螺旋天线；底部是接地铝制部件

微波脉冲模式对火焰增强的影响

如前一节所述，微波放电可以通过多个参数进行调节：脉冲持续时间τ、频率f和瞬时功率P。在本节中，我们旨在确定能够实现最佳火焰增强的脉冲模式（τ, f）。为此，将P设置为最大值1000瓦以增强等离子体效应。等离子体瞬时功率的效果将在第3.2节中进行研究。

微波发生器的10%占空比限制使得实验结果呈现出三角形分布

结论

在Mini-PAC燃烧器中应用微波放电，以找到最佳的等离子体条件以实现火焰稳定或点火，并将其性能与NRP放电进行比较。

光学发射光谱（OES）测量结果显示，气体加热程度低于1000 K，电离度低于0.3%。这些结果表明，本研究中使用的微波放电与NRP放电一样处于非平衡状态。

我们发现微波放电能够稳定贫燃CH₄-空气火焰，效果提升了5–10%

CRediT作者贡献声明

Renaud Gablier：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。

Joey Kim Soriano：撰写、编辑、进行研究、进行数据分析。

Jean-Baptiste Perrin-Terrin：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。 Yuji Ikeda：撰写、编辑、提供资源、进行概念化。 Christophe O. Laux：撰写、编辑、争取资金支持、进行概念化。