目前存在的激光诱导等离子体点火技术是一种在燃气发动机中可实现贫燃燃烧的点火技术,相比传统电火花点火其具有易控制、失火极限低、电磁干扰小等优势。但对点火激光的能量有很高的要求,同时超短脉冲激光器操作复杂且体积庞大,限制了该技术在工程领域的应用。为解决上述问题,本文提出了利用诱导击穿水产生等离子体助燃的方法,2 μm激光器诱导产生的水等离子体不但具有很高的温度,同时产生大量的活性基团,起着促进甲烷燃烧的作用。在点火能量不变的情况下,能有效提高点火成功率,实现助燃。本文从激光诱导等离子体的几种作用机理结合点火成功经历的过程,分析得出燃烧中化学反应和等离子体的能量大小是激光诱导等离子体点火成功的关键。考虑等离子体助燃在化学方面的作用,对甲烷/空气混合气燃烧的化学特点进行研究。激光诱导等离子体点火一般发生在贫燃状态下,为了分析这种状态,利用CHEMKIN进行建模,N2O-简化机理进行仿真,计算了 NOx污染物生成浓度。然后用火焰传播理论,构建火焰传播模型,计算了 C、H、O氧化物分子的浓度大小和空间分布。由于活性基团H、OH在甲烷氧化中起着加快化学反应速率的重要作用,建立了 PSR模型,计算分析了甲烷燃烧过程中这两种基团参与的多种化学反应。由于水在电离过程中同样产生H和OH,这表明了水作为助燃介质化学方面的优势。激光作用于水诱导产生等离子体,这个过程分两个方面进行研究。第一个方面通过建模仿真研究激光与水作用过程中水的温度场变化。原理上采用Beer-Lambert定律和热传导物理场耦合的方法,用COMSOL有限元法仿真了 2 μm激光作用时的瞬态温度场分布的特点。通过仿真计算表明水吸收激光的能量之后以热量的形式进行传导,热量分布总体来看是被聚焦子在一个三维的圆柱形区域,同时对各个边界处温度随着中心距离传导的变化进行了计算,得到了整个水模型的三维温度场的分布。第二个方面,根据击穿理论,对诱导击穿产生等离子体过程击穿阈值进行了数值计算。通过理论推导得到了雪崩电离和多光子电离的等离子体密度的速率方程,根据速率方程建立一维数学模型,用2 μm波段脉冲参数计算了电离过程的自由电子密度和击穿阈值。对比最常用的1064 nm波长激光,相同参数下2 μm波段需要的击穿阈值更低。这一结果表明选择用2 μm波段作为诱导水等离子的光源,更容易击穿产生等离子体,从而降低了对脉冲能量的需求,为等离子体助燃研究和实际应用上提供了理论基础。最后分析了等离子体产生过程中冲击波的传播和热效应,计算表明,冲击产生过程中热气的温度与激光能量成正比,并随着冲击波的传播进行温度传递。本文提出的以水作为助燃介质的激光诱导等离子体点火方式,对于促进激光点火技术的发展和提高其在工程上的应用具有重要意义。