等离子体化学效应在激光点火过程中的作用机制与评估

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33221

流动控制与热管理专刊

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等离子体化学效应在激光点火过程中的作用机制与评估

李牧¹^,², 林李果¹^,², 桂丰¹^,³, 严红¹^,²^,⁴^,⁵, 陈福振¹^,²^,⁴^,⁵, 刘凡¹^,²^,⁴^,⁵()

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安 710072
^2.西北工业大学陕西省航空发动机内流动力学重点实验室，西安 710072
^3.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
^4.高空模拟技术重点实验室，西安 710072
^5.四川天府新区西工大先进动力研究院，成都 610299

收稿日期:2025-12-10 修回日期:2025-12-24 接受日期:2026-02-03 出版日期:2026-03-24 发布日期:2026-02-27
通讯作者: 刘凡 E-mail:liufan1990@outlook.com
基金资助:
国家自然科学基金(12172298);国家自然科学基金(12302305);中央高校基本科研业务费专项资金;西北工业大学硕士研究生实践创新能力培养基金(PF2025058);四川省科技计划(2024NSFSC0122)

Mechanism and evaluation of plasma chemical effects in laser ignition process

Mu LI¹^,², Liguo LIN¹^,², Feng GUI¹^,³, Hong YAN¹^,²^,⁴^,⁵, Fuzhen CHEN¹^,²^,⁴^,⁵, Fan LIU¹^,²^,⁴^,⁵()

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Shaanxi Key Laboratory of Internal Aerodynamics in Aero-Engine，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.AECC Sichuan Gas Turbine Research Establishment，Chengdu 610500，China
^4.Science and Technology on Altitude Simulation Laboratory，Xi’an 710072，China
^5.Advanced Power Research Institute of Northwestern Polytechnical University，Chengdu 610299，China

Received:2025-12-10 Revised:2025-12-24 Accepted:2026-02-03 Online:2026-03-24 Published:2026-02-27
Contact: Fan LIU E-mail:liufan1990@outlook.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12172298);Practice and Innovation Funds for Graduate Students of Northwestern Polytechnical University(PF2025058);Sichuan Science and Technology Program(2024NSFSC0122);Fundamental Research Funds for the Central Universities

摘要/Abstract

摘要：

激光点火技术因其位置灵活、能量密度高、释热速率快等优点，在航空航天动力系统中得到了广泛关注，其主要靠等离子体的气动、热和化学这三大效应发挥作用。以在甲烷/空气混合物的定容燃烧室内进行的激光点火实验为基础，重点研究单脉冲激光诱导点火的火焰传播特性，分析了激光脉冲能量对点火和火焰传播特性的影响，通过数值模拟研究来评估等离子体化学效应在点火过程中的作用机制。研究发现初始火焰核呈现“3瓣式”结构，这与激光诱导空气击穿所形成的涡环结构极为相似，验证了等离子体气动效应在点火及热核发展中的重要作用。进一步对比分析了有/无化学效应下点火火焰核发展特性，结果表明相比等离子体的气动效应以及热效应，化学效应对火焰核的发展影响甚微。

关键词: 激光点火, 等离子体, 火焰传播, 空气解离, 化学效应

Abstract:

Laser ignition technology has received widespread attention in aerospace power systems due to its flexible positioning， high energy density， and fast heat release rate. It mainly relies on the aerodynamic， thermal， and chemical effects of plasma. This article is based on laser ignition experiments conducted in a constant volume combustion chamber of methane/air mixture. The focus is on studying the flame propagation characteristics of single pulse laser-induced ignition， analyzing the influence of laser pulse energy on ignition and flame propagation characteristics， and conducting numerical simulation studies to evaluate the influence of plasma chemical effects. Research has found that the initial flame nucleus exhibits a “three lobed structure”， which is very similar to the vortex ring structure formed by laser-induced air breakdown， verifying the important role of plasma aerodynamic effects in ignition and thermonuclear development. Further comparative analysis was conducted on the development characteristics of ignition flame nuclei with and without chemical effects. The results showed that compared to the aerodynamic and thermal effects of plasma， chemical effects had little effect on the development of flame nuclei.

Key words: laser ignition, plasma, flame propagation, air ionization, chemical effects

中图分类号:

V211

李牧, 林李果, 桂丰, 严红, 陈福振, 刘凡. 等离子体化学效应在激光点火过程中的作用机制与评估[J]. 航空学报, 2026, 47(13): 533221.

Mu LI, Liguo LIN, Feng GUI, Hong YAN, Fuzhen CHEN, Fan LIU. Mechanism and evaluation of plasma chemical effects in laser ignition process[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(13): 533221.

图/表 16

图1

图 2

图3

图4

图5

图6

图 7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

表A1

空气11组分20步解离反应机制

基元反应	A/（cm³·（mol·s）^-1）	b	E_a/（cal·mol^-1）
O₂+I₁⇔2O+I₁	3.61×10¹⁸	-1.00	59 400
N₂+I₂⇔2N+I₂	1.92×10¹⁷	-0.50	113 100
N₂+N⇔2N+N	4.15×10²²	-1.50	113 100
NO+I₃⇔N+O+I₃	3.97×10²⁰	-1.50	75 600
NO+O⇔O₂+N	3.18×10⁹	1.00	19 700
N₂+O⇔NO+N	6.75×10¹³	0	37 500
N+O⇔NO⁺+e^-	9.03×10⁹	0.50	32 400
O+e^-⇔O⁺+e^-+e^-	3.60×10³¹	-2.91	158 000
N+e^-⇔N⁺+e^-+e^-	1.10×10³²	-3.14	169 000
O+O⇔O $2 +$ +e^-	1.60×10¹⁷	-0.98	80 800
O+O $2 +$ ⇔O₂+O⁺	2.92×10¹⁸	-1.11	28 000
N₂+N⁺⇔N+N $2 +$	2.02×10¹¹	0.81	13 000
N+N⇔N $2 +$ +e^-	1.40×10¹³	0	67 800
N₂+O₂⇔NO+NO+e^-	1.38×10²⁰	-1.84	141 000
NO+I₄⇔NO⁺+e^-+I₄	2.20×10¹⁵	-0.35	108 000
O+NO⁺⇔NO+O⁺	3.63×10¹⁵	-0.60	50 800
N₂+O⁺⇔O+N $2 +$	3.40×10¹⁹	-2.00	23 000
N+NO⁺⇔NO+N⁺	1.00×10¹⁹	-0.93	61 000
O₂+NO⁺⇔NO+O $2 +$	1.80×10¹⁵	0.17	33 000
O+NO⁺⇔N⁺+O₂	1.34×10¹³	0.31	77 270

表A1

表A2

参考文献 33

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基元反应	A/（cm³·（mol·s）^-1）	b	E_a/（cal·mol^-1）
O+H₂⇔H+OH	0.315 819 6×10⁵	0.252 178 5×10	0.740 817 2×10⁴
O+CH₃⇔H+CH₂O	0.602 333 8×10¹⁴	0.173 711 4	-0.443 896 1×10³
H+O₂+M⇔HO₂+M	0.332 195 6×10¹⁹	-0.792 327 5	-0.451 776 9×10³
H+O₂⇔O+OH	0.293 712 2×10¹⁷	-0.702 733 8	0.168 057 9×10⁵
2H+M₁⇔H₂+M₁	0.114 043 3×10¹⁹	-0.814 723 8	-0.331 032 9×10³
H+ОH+M₂⇔H₂O+M₂	0.247 527 9×10²³	-0.184 024 4×10	-0.393 352 6×10³
H+HO₂⇔O₂+H₂	0.430 739 9×10¹⁴	-0.719 366 5×10^-2	0.106 663 7×10⁴
H+HO₂⇔2OH	0.977 250 9×10¹⁴	0.294 893 0×10^-1	0.556 776 5×10³
H+CH₃（+M₃）⇔CH₄（+M₃）	0.150 890 3×10¹⁷	-0.456 857 8	0.530 308 9×10³
H+CH₄⇔CH₃+H₂	0.652 011 6×10⁹	0.162 138 8×10	0.106 332 4×10⁵
H+HCO⇔H₂+CO	0.652 939 0×10¹⁴	0.761 251 5×10^-1	0.250 207 0×10³
H+CH₂O⇔HCO+H₂	0.503 933 5×10⁸	0.197 388 7×10	0.313 873 1×10⁴
OH+H₂⇔H+H₂O	0.213 300 9×10⁹	0.161 649 8×10	0.346 420 2×10⁴
2OH⇔O+H₂O	0.376 204 8×10⁵	0.228 679 8×10	-0.238 347 0×10⁴
OH+HO₂⇔O₂+H₂O	0.167 710 2×10¹⁴	0.907 382 0×10^-1	-0.553 369 6×10³
OH+CH₄⇔CH₃+H₂O	0.106 393 2×10⁹	0.162 575 5×10	0.298 493 4×10⁴
OH+CO⇔H+CO₂	0.512 983 8×10⁸	0.124 924 7×10	0.704 339 1×10²
OH+CH₂O⇔HCO+H₂O	0.402 114 0×10¹⁰	0.128 922 0×10	-0.504 729 9×10³
HCO+M⇔H+CO+M	0.183 603 9×10¹⁸	-0.869 677 4	0.142 103 7×10⁵

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