● 摘要
反向流动扩散火焰是一种经典的火焰模型，因其火焰平坦，结构简单，被广泛应用于研究扩散燃烧的化学特性和结构特性。而非热等离子体作为一种公认的极具潜力的强化燃烧的途径，相关研究受到人们的广泛关注。对反向流动扩散火焰的氧化剂采用纳秒脉冲电源进行放电从而产生非热等离子体，观测其对火焰的燃烧、传热和流动特性的影响，可以探究非热等离子体辅助燃烧的机理。但是限于实验条件和测量手段，无法获得燃烧过程中组分变化、传热和流动过程的细节，因而数值模拟成为研究的重要工具，可以为进一步的实验研究提供参考。通过数值模拟研究非热等离子体对火焰的影响，既需要对燃烧过程进行计算，也需要模拟放电过程。因此，本文首先推导了反向流动扩散火焰的二维控制方程组，采用SIMPLE算法进行求解，得到了不同入口速度以及不同燃料组分浓度下甲烷-空气和氢气-空气火焰的温度、速度和组分浓度的分布。本文还对纳秒脉冲放电过程进行了数值模拟。为更准确地获得电子碰撞反应速率系数，采用两项近似法求解Boltzmann方程，得到了电子能量分布函数。对O2/Ar/He/CH4混合物放电的模拟结果显示，不同的脉冲重复频率会得到不同的产物，频率越高，产物中活性成分的比例越大，气体的温度也越高。在前面两项内容的基础上，本文研究了非热等离子体对反向流动扩散火焰的影响。先假定空气受到放电作用产生的众多活性成分中氧原子的作用最大，故只考虑氧化剂中加入氧原子对火焰的影响。然后应用纳秒脉冲放电的计算结果，将其作为氧化剂侧入口边界条件，模拟研究放电产物对火焰的影响。上述模拟的结果均显示，非热等离子体会明显拓展反向流动扩散火焰的熄灭极限。