等离子体助燃(Plasma-assisted combustion, PAC)是当下全球十分关注的热门课题,是等离子体科学与技术一个新兴的领域。它通过将燃料和氧化剂电离、解离或激发为活性分子、原子、自由基和分子碎片等促进燃烧氧化进程,提高燃烧速度和燃烧效率。近年来,随着工业和科学技术的发展,如何提高工业燃烧炉、内燃机、燃气轮机、冲压发动机等工业燃烧器和航空发动机的燃烧效率和降低污染气体的排放成为当前非常重要的科学与工程问题。为此,等离子体助燃技术引起了人们越来越大的兴趣。　　激光诱导等离子体助燃方法是等离子体助燃方法中的一种,它有着其它助燃方法不具备的优势,如无电极、完全非介入、无电磁干扰等。它要求激光脉冲峰值功率密度大于1010W/cm2,重复频率大于1kHz,这是一般激光器很难满足的,因此,上世纪90年代提出至今,仍处于理论研究阶段。本文首次采用飞秒激光(重频为1kHz,功率密度可达1014W/cm2)实现了高效率激光诱导等离子体助燃;使得 CH4/O2/N2预混火焰的吹熄极限和火焰传播速度分别提高了232.4％和25.7%;所用离子体功率仅为0.39W(约为火焰最大放热功率的0.05%),而之前报导的放电等离子体功率都大于火焰放热功率的0.3%。　　本文首先详细阐述了等离子体和激光等离子体助燃方法、等离子体助燃机理的发展现状,分析了迄今为止研究中存在的不足,提出了研究内容和拟解决的关键问题。然后,从激光动力学、燃烧学和化学反应动力学基本理论出发分析了激光诱导等离子体助燃方法的可行性。针对热源点火模型的不足,通过引入化学动力学助燃新思想,给出了吹熄极限与激光参量之间的函数关系,并由此分析获知助燃效率主要决定于激光能量、重频、脉宽、波长和几何结构(主要是激光焦点位置),以及燃料特性、氧/氮混合气体中氧气的体积百分比和化学当量比等。在此基础上，设计并研制了飞秒激光诱导等离子体助燃实验装置。　　其次,本文主要研究了混合气体的化学当量比Φ、氧/氮混合气体中氧气的体积百分比XO、激光脉冲能量Elaser和激光焦点位置h/D对CH4/O2/N2预混火焰吹熄极限的影响规律。实验结果表明,当上述参量设不同值时,飞秒激光诱导等离子体助燃方法都能增强预混火焰的稳定性,而且预混火焰吹熄极限的提高率是上述参量的函数。在Φ为0.7～1.0范围内时,CH4/air预混火焰的吹熄极限提高了19.9%～63.2%;当XO为20%～22.2%时,吹熄极限提高了25.3%～232.4%。还研究了不同Φ、XO、混合气体流量Q和激光焦点位置Z/hw条件下,飞秒激光等离子体对火焰传播速度Su的影响规律。在Φ=0.8～1.5较宽范围内, Su增加了7.3%～25.7%。　　再次,本文采用全新的实验装置,确定了飞秒激光诱导等离子体助燃机制和对燃烧有促进作用的“活性”粒子的平均寿命。在该装置中,氧气或甲烷首先被飞秒激光诱导形成等离子体,然后再与其它气体混合并发生燃烧。其主要优点是将等离子体区与燃烧区隔离,这样便于分别测量分析等离子体的热作用和动力学作用对燃烧的影响。实验结果表明只有很少的等离子体能量转化为热能,等离子体周围环境气流温度升高了不到2K,其热作用可以忽略。由此可知飞秒激光诱导等离子体助燃以动力学助燃机制为主,具有很高的能量利用效率。基于此,采用化学反应法,测得氧和甲烷等离子体中无荧光辐射的“活性”粒子的平均寿命分别为5.6±0.4ms和9.4±0.6ms。　　最后,本文采用实验与数值计算相结合的方法研究了飞秒激光诱导等离子体助燃机理。利用等离子体自发辐射荧光光谱分别测量了O2、CH4、O2/N2和CH4/O2/N2等离子体的组分,并分析获知 O2(b1Σg+)、O2(a1Δg)、O、O3、CH3、CH2、CH、H、H2和N2(A3Σu+)等十种长寿命粒子是具有促进燃烧化学反应潜力的“活性”粒子。基于经典的甲烷燃烧机理GRI-Mech3.0模型,通过加入上述“活性”粒子及与之相关的基元反应,建立了激光诱导等离子体助燃CH4/O2/N2反应体系的化学动力学模型;并应用CHEMKIN软件进行了数值模拟计算,数值计算结果与实验结果基本吻合;证明本文所建立的激光诱导等离子体助燃模型是正确的,同时也证明上述“活性”粒子是促进 CH4/O2/N2反应体系燃烧的关键粒子。　　本文的研究成果对推进激光诱导等离子体助燃方法的发展具有实际意义;对掌握激光诱导等离子体助燃机理有重大的理论意义;建立的助燃模型为预测、评估和优化设计等离子体助燃方法有一定的指导意义。