乙炔火焰中添加H_2O/CO_2对碳烟颗粒尺寸分布的影响

基于颗粒群平衡理论,构建一维层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.该模型包含了颗粒的成核、凝并、表面生长和氧化等过程,采用Monte Carlo随机算法进行求解.结合详细的化学反应机理,搭建了求解碳烟颗粒尺寸分布的计算平台.分析了乙炔层流预混火焰中添加二氧化碳和水两种组分时对碳烟生成的影响,获得了0%、20%和40%3组不同添加比例下的碳烟尺寸分布.结果表明,在当量比为2.5且保持不变的情况下,添加二氧化碳和水能够有效降低碳烟的生成,其中添加40%水时对碳烟的抑制效果更加明显;同时,二氧化碳和水的添加使得大粒径碳烟颗粒数量降低.     

基于二维激光诱导炽光法的棉籽油扩散火焰碳烟生成特性

搭建了一套二维激光诱导炽光测试系统,获得乙烯扩散火焰的碳烟体积分数,并将其与单点标定激光诱导炽光法和消光法得到的测试结果比对,验证了该测试系统的有效性.在一台液体燃烧器上,应用二维激光诱导炽光法研究棉籽油掺混比对柴油层流扩散火焰碳烟生成的影响.结果表明:随掺混比的增加,最大碳烟体积分数以及碳烟总量呈现降低趋势.在轴心方向上随火焰高度的增加,碳烟体积分数逐渐增加,在中部达到最大值,随火焰高度的进一步增加,碳烟体积分数开始降低.径向上的碳烟浓度峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向火焰中心移动,且峰值先增加后降低.      

乙炔/空气层流预混火焰中氢气添加对碳烟颗粒生成的影响

构建一维常压稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型,采用内插值的矩方法对该数学模型进行数值求解,并与含有碳烟前驱物的化学反应机理进行耦合,基于Fortran语言,建立碳烟生长演化的数值计算模型,在此基础上,分析乙炔/空气层流预混火焰中氢气添加对碳烟颗粒生成的影响。研究结果表明:氢气的添加可以通过改变火焰温度、稀释效应以及化学反应抑制作用来改变碳烟形成过程中的化学反应及颗粒动力学事件,从而减缓火焰中PAHs生长,降低碳烟颗粒的成核率、凝并率和表面生长率,对碳烟颗粒的生长起到了一定抑制作用。     

基于辐射光谱的对冲扩散火焰碳烟温度和体积分数的测量实验研究

对冲扩散火焰是研究碳烟生成特性的理想平台，温度是碳烟生成的重要影响因素，碳烟体积分数是衡量碳烟生成率的重要指标，因此对冲火焰中碳烟温度和体积分数的准确测量对于开发减少碳烟排放策略至关重要。文章基于碳烟多光谱辐射(soot spectral emission, SSE)方法同步测量对冲火焰中的碳烟温度和体积分数。考虑到对冲火焰空间尺度小，需要较高测量空间分辨率和位置精度的特点，开发一种用于对冲火焰精准测量定位的方法，有效地提高实验测量的位置精度；同时建立一套基于热电偶的光谱响应函数原位标定系统；最后使用SSE方法对常压环境不同工况下乙烯对冲扩散火焰的碳烟温度和体积分数进行测量。测量结果验证了对冲火焰碳烟温度场和浓度场的准一维性质；通过与消光法实验数据和采用详细化学反应机理的数值计算结果的对比，验证了SSE方法测量对冲火焰中碳烟温度及体积分数分布的可行性。     

中国空间站燃烧科学实验柜火焰温度及碳烟体积分数地面重建

基于双色法和Tikhonov正则化算法,应用燃烧科学实验柜科学实验系统开展乙烯扩散火焰二维和三维温度及碳烟体积分数分布重建实验,以期为将来的微重力-常重力燃烧对比实验提供技术支持和地面数据。研究结果表明：火焰温度的计算误差约为3.03%,碳烟体积分数的计算误差约为3.86%;火焰温度沿径向先升高后降低,其峰值出现在靠近火焰边缘的位置;火焰上游处的碳烟体积分数分布呈中心低、四周高的趋势,而火焰下游的碳烟体积分数峰值则出现在火焰中心区域;依据SN571、SN610和SN573光学诊断设备采集的图像信息重建的峰值温度分别为1 942、1 954和1 981 K,最高碳烟体积分数分别为11.34×10^-6、11.23×10^-6和11.02×10^-6;三维重建的温度和碳烟体积分数分布与二维重建的分布一致,三维重建出的火焰峰值温度约为1 900 K,最高碳烟体积分数约为10.60×10^-6。     

柴油/甲醇高温富燃动力学机理的简化

采用直接关系图(DRG)法和敏感性分析(SA)法对包含261种组分、1,338个反应的柴油/甲醇高温氧化机理进行了简化.开发了适用于层流火焰模型的DRG简化程序,取阈值0.01得到包含65种组分、409个反应的初步简化机理,将该机理与详细机理的模拟结果进行了对比分析;在初步简化结果的基础上,采用SA方法进一步得到包含61种组分、151个反应的简化机理.简化机理对参比燃料中甲苯和产物中苯的模拟结果与层流火焰的试验值吻合较好,能反映碳烟前驱体的演化过程;氧化剂、主要产物以及其他参比燃料的预测值与试验值接近,可以描绘层流预混火焰结构;简化机理与预测双燃料着火的23步反应机理结合后,应用到缸内燃烧的三维模拟中,可以较为准确地预测缸内压力和放热率的变化.     

主碳链长度对脂肪酸甲酯扩散火焰碳烟生成及其演变规律的影响

研究主碳链长度对于脂肪酸甲酯的同轴层流扩散火焰中碳烟的生成及其演变规律的影响.针对丁酸甲酯、辛酸甲酯及癸酸甲酯扩散火焰,采用激光诱导炽光法,结合热泳探针取样后的透射电子显微镜图像,分析火焰中碳烟体积分数的2维分布及碳烟颗粒的形貌特征.实验结果表明:随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯扩散火焰的碳烟体积分数增大,碳烟的生成与积聚更为提前,表面生长速率更快;通过化学反应动力学模拟3种脂肪酸甲酯的热解氧化反应,验证了激光诱导炽光法的实验结果;随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯的热解起始温度有所降低,C_2H_2、C_2H_4等中间物质的产生有所增加,多环芳香烃的生成速率更快;通过对苯环生成路径的敏感性分析可知,在丁酸甲酯热解中,第1个苯环的形成主要为C_4+C_2的生成路径,而辛酸甲酯、癸酸甲酯热解中苯的形成有C_4+C_2、C_3+C_3两种生成路径,且C_3+C_3生成路径占主导地位.     

高可控非稳态对冲扩散火焰的实现及其时变流场特征

为研究火焰拉伸变化对流场、碳烟生成的瞬态效应，进一步完善层流火焰面模型在湍流火焰中的应用，设计并搭建了一个高可控的声激励对冲火焰燃烧器及其流场和碳烟浓度场的测量系统，利用相位锁定的粒子图像测速和激光诱导白炽光技术，测量了简谐振荡的对冲火焰中流场以及碳烟生成随时间的变化特性。结果表明：设计的声激励对冲燃烧器喷嘴出口速度为非均匀分布；非稳态工况下，施加的声激励电压信号幅值与出口速度振幅呈线性关系，频率为40 Hz的乙烯和丙烷火焰出口速度分别滞后电压信号0.09、0.14周期；随着电压信号频率的增加，速度的滞后程度也随之扩大。此外，40 Hz频率下乙烯火焰的碳烟体积分数滞后准稳态值0.35周期，具有明显的瞬态效应。研究成果可为非稳态层流火焰面模型开发提供理论依据。     

O2对乙烯扩散火焰在轴线上碳烟生成的影响

为探究乙烯扩散火焰在轴线上的碳烟生成特性,在一台层流同轴扩散火焰装置上,将氧气浓度(体积分数)控制为21%,24%,26%,28%和31%,使用碳烟颗粒采样装置对乙烯扩散火焰中不同轴向位置的碳烟进行采样．利用高分辨率透射电子显微镜对不同氧气浓度的碳烟颗粒样本进行观察和分析,结果表明：在相同的氧气浓度下,随火焰高度的增加,火焰轴线位置处的基本碳粒子平均粒径呈现先增大后减小的趋势,分形维数增加,团聚体从条状和链状向团状和簇状发展;在同一火焰高度,随着氧气浓度增大,基本碳粒子平均粒径减小,团聚体的分形维数变大,生成更多致密的网状团聚体,微晶的平均碳层间距和扭曲度都有所增加,碳层从平行排列变成弯曲排列．     

基于多相流模型的纳米流体在水平细圆管内强制对流换热数值模拟

运用2种多相流模型模拟了纳米流体在细圆管内的强制对流换热特性,并与已有文献的实验值和传统流体经验公式的计算值进行对比.其中,采用混合模型和欧拉模型分析了雷诺数、纳米颗粒体积分数等物理量对换热特性的影响.结果表明:在纳米颗粒体积分数较低时,模拟值与其实验值及经验公式的计算值相差不大;随着纳米颗粒体积分数增加,其非常规的流体特性逐渐突出,当纳米颗粒体积分数达到一定值时,常规的流体经验公式已不再适用,纳米流体换热呈现出一定的多相流特性,且多相流模型的模拟值更接近于其实验值,表明运用多相流模型能够模拟纳米流体的换热特性.