等离子体燃烧调控研究进展与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31879

流体力学与飞行力学

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等离子体燃烧调控研究进展与展望

吴云¹, 张志波¹^,², 朱益飞², 贾敏¹, 李应红¹()

^1.空军工程大学航空工程学院航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室，西安 710038
^2.西安交通大学机械工程学院航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室，西安 710049

收稿日期:2025-02-17 修回日期:2025-02-20 接受日期:2025-02-21 出版日期:2025-03-15 发布日期:2025-03-15
通讯作者: 李应红 E-mail:yinghong_li@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52488101)

Research progress and outlook of plasma combustion control

Yun WU¹, Zhibo ZHANG¹^,², Yifei ZHU², Min JIA¹, Yinghong LI¹()

^1.National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology，Aviation Engineering School，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China
^2.National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology，School of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2025-02-17 Revised:2025-02-20 Accepted:2025-02-21 Online:2025-03-15 Published:2025-03-15
Contact: Yinghong LI E-mail:yinghong_li@126.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52488101)

摘要/Abstract

摘要：

等离子体与燃烧室结合的研究已经有100多年历史，火花放电等离子体点火技术已经十分成熟，面向先进发动机的等离子体燃烧调控研究正处于蓬勃发展的阶段。等离子体燃烧调控技术在拓展发动机点火边界与熄火边界、提升燃烧效率、抑制燃烧不稳定等方面具有重要作用；等离子体燃烧调控机理作为等离子体动力学与燃烧学的交叉前沿，具有丰富的科学内涵。从技术创新与机理探索两个层面，对等离子体燃烧调控的国内外研究进展进行了综述。技术创新层面，总结了火花、电弧、滑动弧、等离子体炬、激光、纳秒等多种等离子体燃烧调控方法的研究进展，从激励系统研发思路、燃烧调控效果等方面进行了分析；机理探索方面，梳理了加热效应、化学效应、输运效应等3类主要基本原理，归纳了典型燃料的等离子体激励反应机理，以及零维、多维、唯象3种等离子体燃烧建模仿真模型的进展。最后，对等离子体燃烧调控的未来发展进行了展望，等离子体燃烧调控技术创新与机理探索将进一步融合发展，紧跟高温升燃烧室、宽域加力燃烧室、宽域超燃燃烧室等先进燃烧室发展需求，推动新型等离子体燃烧调控技术创新与应用；等离子体燃烧调控机理探索将进一步系统深入，向等离子体激励燃烧学新兴交叉学科发展；低碳、零碳燃料等离子体燃烧调控与等离子体辅助能源转化也是新兴的研究热点。

关键词: 等离子体, 燃烧调控, 等离子体激励, 技术创新, 机理探索

Abstract:

The research on the application of plasmas in combustion chambers has been conducted over a century. Spark discharge plasma ignition technology is very mature， while the study of plasma combustion control for advanced engines is currently flourishing. Plasma combustion control technology plays a significant role in broadening the ignition and extinction boundaries of engines， enhancing combustion efficiency， and suppressing combustion instability. The mechanism of plasma combustion control， as an interdisciplinary frontier of plasma dynamics and combustion science， is rich in scientific connotations. This article reviews the research progress on plasma combustion control from two aspects： technology innovation and mechanism exploration. With respect to technology innovation， based on the development ideas of plasma actuation systems and the control effect， the research progress of various plasma combustion control methods is summarized， such as spark， arc， gliding arc， plasma torch， laser plasma， and nanosecond discharge techniques. With respect to mechanism exploration， the three main fundamental principles of thermal effects， chemical effects， and transport effects are analyzed， and the progress of plasma actuation reaction mechanisms for typical fuels， as well as the development of zero-dimensional， multi-dimensional， and phenomenological plasma combustion modelling and simulation models， are summarized. Finally， the outlook of future development of plasma combustion control is discussed. The innovation and exploration of plasma combustion control technology will further integrate and develop to satisfy the needs of advanced combustion chambers such as high-temperature-rise combustion chambers， wide-range afterburning combustion chambers， and wide-range supersonic combustion chambers， promoting the innovation and application of new types of plasma combustion control technologies. The plasma combustion control mechanism needs to be explored systematically and in depth， developing towards the emerging interdisciplinary field of plasma-excited combustion science. Additionally， the plasma combustion control of low-carbon and zero-carbon fuels， as well as plasma-assisted energy conversion， is becoming research hotspots.

Key words: plasma, combustion control, plasma actuation, technology innovation, mechanism exploration

中图分类号:

吴云, 张志波, 朱益飞, 贾敏, 李应红. 等离子体燃烧调控研究进展与展望[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531879.

Yun WU, Zhibo ZHANG, Yifei ZHU, Min JIA, Yinghong LI. Research progress and outlook of plasma combustion control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(5): 531879.

图/表 30

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209	WANG Y， KONG C D， WU X J， et al. Characteristics of rotating gliding arc induced thermal ignition of lean methane-air mixtures‍［J］. Applications in Energy and Combustion Science， 2023， 14： 100154.
210	LI Z， ZHAO N， MA X， et al. Numerical investigations of the effects of gliding arc discharge on C₃H₈/air ignition using a new three-dimensional phenomenological gliding arc model‍［R］. 2024.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

气体组成	放电形式	年份	文献
CH₄/Air	重频脉冲	2020	［154］
CH₄/Air	脉冲	2020	［154］
CH₄/Air	脉冲-直流	2022	［155］
CH₄/Air	脉冲-直流	2020	［156］
CH₄ reforming	脉冲	2023	［157］
CH₄/Air	脉冲	2021	［158］
CH₄/O₂/He	脉冲	2021	［159］
CH₄/Air	重频脉冲	2020	［160］
NH₃/O₂/He	重频脉冲	2020	［161］
NH₃/Air	重频脉冲	2022	［151］
NH₃/Air	脉冲-直流	2023	［162］
NH₃/Air	重频脉冲	2023	［163］
NH₃/Air	脉冲	2023	［157］
NH₃/O₂/He	脉冲	2022	［164］
NH₃/O₂/He	脉冲	2021	［165］
H₂/N₂/CO/CO₂	脉冲	2024	［166］
H₂/O₂	正弦	2022	［167］
H₂/O₂	正弦	2023	［168］
H₂/Air	脉冲	2020	［152］
C₂H₄/Air	滑动弧	2021	［169］
C₂H₄/Air	重频脉冲	2020	［160］
C₃H₈/Air	滑动弧	2023	［170］
C₃H₈/Air	重频脉冲	2023	［171］
n-Dodecane/O₂/N₂	重频脉冲	2020	［172］
n-C₅H₁₂/O₂/N₂	脉冲-直流	2024	［173］

等离子体耦合流动	耦合方法	年份	文献
SDBD流动控制	单向	2007	［186］
微等离子体射流	双向	2009	［187］
SDBD流动控制	双向	2010	［188］
尖-尖放电流动响应	单向	2013	［189］
大气压等离子体射流	单向	2015	［190］
大气压等离子体射流	单向	2017	［191］
SDBD流动控制	单向	2017	［192］
等离子体耦合燃烧	耦合方法	年份	文献
尖-尖放电点火/H₂-Air燃料	双向	2012	［193］
尖-尖放电点火/H₂-Air燃料	双向	2017	［194］
纳秒脉冲点火/H₂-Air燃料	双向	2019	［195］
纳秒脉冲点火/H₂-Air燃料	双向	2021	［196］
尖-尖放电点火/CH₄-Air燃料	双向	2022	［197］
SDBD点火/CH₄-O₂-He燃料	双向	2023	［198］

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[15]	罗凯, 王永海, 汪球, 栗继伟, 李峥, 聂春生, 李铮. 高焓风洞中等离子体激励流动控制试验[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 89-96.

等离子体燃烧调控研究进展与展望

Research progress and outlook of plasma combustion control

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