废气再循环成分对扩散燃烧中碳烟形成影响的研究

通过测量对置射流扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率Kp和同轴扩散火焰碳烟的体积浓度，当燃烧废气的主要成员CO2和N2加入到燃料气流及形成扩散火焰的空气流中时，对碳烟生成到排出各过程的影响进行了实验研究。通过适当的火焰温度调节，研究了它们在碳烟生成各过程中的化学作用。结果显示，废气再循环成分CO2和N2对扩散火焰碳烟生成的各个过程并无增加碳烟排放量的作用，反而遏止碳烟的成核和聚合长大，这两种成分对碳烟的氧化，也没有十分明显的不利影响。     

添加CO_2/H_2O对正丁醇火焰中碳烟反应的影响

耦合简化的正丁醇动力学机理和固定分区碳烟模型,研究了在空气中添加CO_2或H_2O蒸气对正丁醇同轴扩散火焰中碳烟质量分数和数密度的影响,计算结果表明:添加CO_2或H_2O蒸气后,整体上二者均降低;此外,添加CO_2后各反应与组分生成往火焰下游移动.碳烟数密度的降低是由于温度和苾(A4)浓度降低引起的成核速率的下降,而碳烟质量分数的降低主要是由于H摩尔分数、颗粒总表面积及温度降低引起的脱氢加乙炔(HACA)速率的下降.碳烟最终在火焰下游被完全氧化,主要氧化组分为OH.     

水蒸气对火焰特性和碳烟生成影响的数值模拟

在协流空气中添加不同的虚拟组分,基于完全解耦法数值模拟研究常压条件下乙醇/空气同轴层流扩散火焰中水蒸气对火焰特性和碳烟生成的影响。研究结果显示:加入水蒸气后,火焰的最高温度和最大碳烟体积分数均降低;水蒸气通过稀释效应、化学效应、热力学效应和辐射效应影响火焰特性和碳烟生成,其中化学效应和稀释效应占主导地位;水蒸气的化学效应会改变O、H、H_2和OH等组分的摩尔分数,OH浓度的增加促进了碳烟的氧化。水蒸气的化学效应也会影响苯(A_1)、苾(A_4)、炔丙基(C_3H_3)和乙炔(C_2H_2)等碳烟生成中间产物的摩尔分数,降低碳烟核心的成核速率和表面增长速率。     

掺混甲烷对预混合丙烯火焰碳烟生成的影响

基于当量比为1.79且最高火焰温度为1 829 K的预混合丙烯火焰,研究了燃料掺混对碳烟生成的影响以及协同效应.分别将5％、20％、40％摩尔分数的甲烷混合到丙烯中,形成具有相同当量比和最高火焰温度的预混火焰.使用微孔探针采样技术和扫描电迁移率粒径谱仪,在燃烧器稳定滞止火焰中测量了碳烟粒径分布.研究发现,掺混甲烷后的火...     

柴油机高密度-低温燃烧过程参数对碳烟生成影响的模拟

在发动机高、满负荷工况下,基于发动机试验和前期提出的多步现象学碳烟模型深入研究了充量密度、氧体积分数、燃烧温度以及混合气浓度等状态参数对于碳烟表面生长以及氧化作用的影响,研究表明:充量密度促进混合、增加热容的作用可以减缓碳烟表面活化程度的衰减速率,同时使碳烟表面活化程度降低;随着充量密度增加,燃烧温度以及未燃碳氢的降低有利于减少碳烟单位面积生长速率RCH,进而影响碳烟生成量降低.提高充量密度增加进气中氧气的绝对量是提高碳烟氧化速率的主要因素,这些因素共同导致碳烟排放量降低.另一方面,进气氧体积分数降低使燃烧温度降低,积累了大量浓混合气与未燃碳氢,化学动力学机理表明,这不利于未燃碳氢转化生成乙炔的过程,导致乙炔生成的最大峰值降低.由未燃碳氢化合物浓度(乙炔、UHC自由基)以及燃烧温度共同影响的RCH随着初始氧体积分数的降低呈现出减小的趋势.而浓混合气会促进碳烟表面活化程度增加.因此,RCH随着初始氧体积分数的降低呈先减小而后增大的趋势.     

柴油掺混PODE_n的燃烧和碳烟生成可视化

聚甲氧基二甲醚(PODE_n)是一种柴油添加剂,近年来煤化工制备PODE_n的工艺获得突破,使得PODE_n具备了大规模应用的条件.由于高氧质量分数和高十六烷值的特点,PODE_n可显著降低柴油机碳烟排放.在高温、高压定容燃烧弹上利用OH化学发光摄影、激光消光法(LEM)标定的激光诱导炽光法(LII)等可视化方法测量了柴油和PODE_n/柴油混合燃料(PODE_n体积分数为10%、20%和30%,,记作P10、P20和P30)的火焰浮起长度和碳烟体积分数(SVF)二维分布.结果表明:随PODE_n比例提高,火焰中碳烟体积分数明显下降,P10、P20和P30的碳烟体积分数最大值相对柴油分别下降32.0%,、53.7%,和71.3%,,平均值分别下降28.9%,、48.8%,和67.6%,,说明添加较低比例PODE_n可使柴油燃烧的碳烟生成趋势明显降低.不同燃料的火焰浮起长度差别不大,说明较低比例的PODE_n不会对油束的着火性造成显著影响.随PODE_n比例提高,碳烟初始生成位置到喷嘴距离增加,碳烟的初始生成点和体积分数峰值区均由火焰两侧向中心转移.     

正庚烷喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量

激光诱导炽光法(LII)是研究火焰中碳烟体积分数和粒径的重要光学测试方法,但要实现碳烟体积分数的定量测量尚有很大难度.建立了用激光消光法(LEM)进行定量标定的LII测试系统,在定容燃烧弹中实现了喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量.结果表明,将LII和LEM的测试结果相关联,可以用来判定每一次LII测试是否受到了信号俘获现象的影响,通过合理去除无效点,可以有效地降低信号俘获现象对标定结果的影响.应用该测试系统研究了正庚烷喷雾扩散火焰的碳烟生成特性,当初始环境温度从800,K升高至823,K时,正庚烷喷雾扩散火焰中的峰值碳烟体积分数升高,并且碳烟初始生成位置更靠近喷嘴.     

O_2/CO_2气氛下碳烟氧化的反应动力学研究

利用热重分析对典型碳烟在O_2/CO_2气氛下氧化的动力学特性进行研究,对比了其与O_2/N_2气氛下的差异,并重点考虑了O_2体积分数的影响,建立了富氧燃烧条件下碳烟氧化反应的表观活化能E和频率因子A与O_2体积分数的定量关联机制.结果表明:与O_2/N_2气氛相比,O_2/CO_2气氛下碳烟氧化的起始和结束温度均较高,综合反应指数降低;O_2/CO_2气氛下,随着O_2体积分数增大,碳烟氧化的TG-DTG曲线向低温区移动,起始和结束温度均降低,最大失重速率增加,综合反应指数显著提高;碳烟氧化反应的E与A之间总是存在显著的"动力学补偿效应",当O_2体积分数低于20%时,E和ln A均与O_2体积分数呈正相关,而当O_2体积分数高于20%时,E与A随O_2体积分数的变化不显著.     

电场作用下正癸烷液滴在常温常压下的燃烧特性

通过利用高速摄像机对液滴燃烧时火焰和粒径的实时测量,以及激光诱导白炽光(LII)对碳烟体积分数的测量方法,研究了垂直电场作用下正癸烷液滴在重力场中的燃烧特性,结果表明:当V>0时,随着电压的增加,液滴上半部分的火焰高度不断缩短,下半部分不断被拉长,在电压为5,kV左右时,火焰呈上下对称结构,燃烧速率常数随着电压的增加先减小后增大,碳烟体积分数随着电压的增加先减小后增大再减小;当V<0时,燃烧速率常数随着电压的增加而增大,碳烟体积分数随着电压的增加逐渐减小;燃烧速率常数随电压的变化是由于碳烟颗粒与外加电场的相互作用而造成的,碳烟颗粒向周围环境的辐射换热量的减少是造成燃烧速率常数增大的主要原因.     

高掺比ABE/柴油混合燃料的喷雾与燃烧特性

针对丙酮-丁醇-乙醇(ABE)/柴油混合燃料的喷雾蒸发和燃烧过程展开了试验研究.试验在预燃加热式定容燃烧弹中进行,燃料为体积分数80%的ABE和20%,的柴油混合物,且ABE溶液中丙酮、丁醇、乙醇的体积分数分别为30%,、60%,和10%,.试验过程中燃烧弹内喷雾环境温度分别控制在1,100,K和900,K以代表普通燃烧模式和低温燃烧模式,环境氧体积分数分别控制在21%,、16%,和11%,以对应发动机不同的EGR工况.由高速摄相机配合激光束的使用,拍摄喷雾及其燃烧过程中瞬时喷雾米氏散射和自然火焰发光图像,同时由压力传感器测取喷雾燃烧压力.结果表明:燃料中ABE体积分数较高时,喷雾贯穿距离较小,同时火焰强度显著下降,表明碳烟生成量有减少的巨大潜力;结合低温燃烧,高掺比ABE/柴油混合燃料几乎可实现无碳烟燃烧.因此,高掺比ABE/柴油混合燃料被认为是可直接应用于柴油机并降低碳烟排放的一种潜在替代燃料.     

多点同步采样测量柴油喷雾火焰中的碳烟形貌分布

在定容燃烧弹内模拟内燃机喷雾燃烧工作条件,设计了定容燃烧弹内多点同步碳烟采样台架,对高压和低压两种环境下的喷雾火焰中生成的碳烟颗粒进行全场多点采样,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对碳烟样本进行观测和图像处理、统计及分析.结合对喷雾火焰发展过程的分析,研究碳烟颗粒在整个喷雾火焰中的分布规律和主要影响因素.研究结果表明,火焰中碳烟颗粒主要以基本颗粒和小积聚颗粒的形式存在,平均粒径小于80,nm.积聚反应主要受到碳烟体积分数和环境温度的影响,碳烟的积聚化程度随着燃烧反应的进行不断增大.固体碳烟体积分数在喷雾火焰中心位置体积分数最高,在火焰外围体积分数相对较低.高压环境下碳烟体积分数远大于低压环境,且在喷雾火焰下游碳烟形貌的演变规律也不同于低压环境.碳烟的数量、质量、粒径与结构与喷雾火焰燃烧发展过程紧密相关.     

CO_2添加对碳烟生成及其尺寸分布的影响

基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维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.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分布信息.在此基础上,详细分析了层流预混火焰中二氧化碳添加对碳烟颗粒物尺寸分布的影响.结果表明:添加二氧化碳降低了碳烟颗粒成核速率,使得小粒径碳烟颗粒数密度减小;同时,添加二氧化碳减弱了碳烟颗粒表面生长速率,以及提高了OH和O2浓度而加速了碳烟的氧化反应,使得大粒径碳烟颗粒数密度降低.CO2添加对碳烟颗粒生成起到了一定抑制作用.     

掺混甲醇对汽油层流扩散火焰碳烟生成的影响

在一台协流扩散燃烧器上,应用双色激光诱导炽光法(TC-LII)得到了火焰内二维碳烟体积分数分布.在燃料流量和碳流量一定时,研究了甲醇掺混比对汽油火焰碳烟生成的影响.结果表明:燃料流量一定时,与纯汽油相比,M20(甲醇体积分数为20%),、M40、M60和M80的峰值碳烟分别降低了50.7%,、74.8%,、91.0%,和97.8%,,平均碳烟分别降低了53.4%,、85.6%,、97.3%,和99.8%,.碳流量一定时,峰值和平均碳烟的降幅相比燃料流量一定时略有降低.这表明燃料流量一定时,甲醇掺混引发的碳元素质量流量的降低对碳烟降低的贡献很小,甲醇对碳烟的降低主要通过对燃料中芳烃的稀释作用及化学反应动力学的影响.火焰整体碳烟生成的起始高度随甲醇掺混比的增加而升高.火焰中心碳烟的起始高度在燃料流量一定时,随甲醇掺混比的增加而降低,碳流量一定时,随甲醇掺混比的增加略有升高.火焰中心碳烟体积分数随高度的增加,呈3段变化趋势.不同高度上,火焰径向碳烟峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向中心移动,且峰值先增加后降低.     

反应速率对层流扩散火焰特性的影响

为探究燃烧过程中火焰结构和烟黑特性的变化规律,对层流乙烯/空气扩散火焰进行了数值模拟,分析了不同成核过程和表面生长过程中,反应速率常数的指前因子及活化能对层流乙烯/空气扩散火焰温度和烟黑体积分数的影响。结果表明：成核反应速率常数中,指前因子增大,火焰温度降低,烟黑体积分数增大,当指前因子提高50%时,在轴向高度3 cm位置对应的火焰温度峰值减小0.70%,烟黑体积分数的峰值增大37.98%;活化能增加,火焰温度增大,烟黑体积分数减小,当活化能提高50%时,在轴向高度3 cm位置对应的火焰温度峰值增大3.41%,烟黑体积分数的峰值减小78.92%;表面生长反应速率常数中,指前因子增大,火焰温度逐渐减小,烟黑体积分数逐渐增大,当指前因子提高50%时,在轴向高度3 cm位置对应的火焰温度峰值减小2.03%,烟黑体积分数的峰值增大1.65倍;活化能增加,使火焰温度升高,烟黑体积分数减小,当活化能提高50%,在轴向高度3 cm位置对应的火焰温度峰值增大9.61%,当活化能提高12.5%,烟黑体积分数的峰值减小46.68%。     

正癸烷/正丁醇同轴层流扩散燃烧火焰中碳烟生成特性研究

采用双色激光诱导炽光法及平面激光诱导荧光法,测量了碳烟体积分数、PAHs和OH的分布特性,探究了添加正丁醇对正癸烷层流扩散火焰中碳烟生成的影响规律．结果表明,火焰中碳烟体积分数随轴向高度和径向位置变化均呈现先增大后减小的趋势;随正丁醇增加,碳烟体积分数降低、分布范围减小．火焰中小分子、大分子PAHs和碳烟沿轴向依次分布,表明PAHs是碳烟生成的重要前驱物;OH集中分布于碳烟分布区外侧低浓度区域,对碳烟氧化具有关键作用．掺混正丁醇后,正癸烷火焰中PAHs生成降低,抑制了碳烟的生成;OH浓度升高,促进了碳烟氧化,最终导致碳烟生成量降低．     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

基于深度学习的乙烯层流扩散火焰温度和碳烟体积分数分布重建

利用高光谱仪对乙烯层流扩散火焰进行测量,选用多层感知器神经网络预测温度和碳烟体积分数分布,评估了模型的预测和抗噪能力,讨论了不同高度和燃料流量的火焰中温度和碳烟体积分数的分布情况．结果表明,神经网络能较为准确地重建实验火焰的温度和碳烟体积分数,并具有较强的抗噪能力;随着火焰高度的增加,碳烟体积分数峰值从两翼移向中心区域,温度趋于平缓,整体平均大小先增加后减小;随着燃料流量的降低,相同归一化高度的温度升高而碳烟体积分数降低．     

基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性

采用激光诱导炽光法(LII),对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布图像进行了测量分析,研究了在不同定容室环境温度、环境压力和喷射压力下燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成与分布的影响规律.结果表明:柴油燃料滞燃期会随环境温度和环境压力的升高而缩短;扩散燃烧火焰的浮起长度内空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,高的环境温度和环境压力,以及低的喷油压力会产生较短的柴油火焰浮起长度;高的柴油喷射压力、低的环境压力和温度所产生的LII信号强度较弱,即此时激光片光内的碳烟体积分数较小.在喷雾混合中自然形成的混合气浓度分层和温度分层,既影响到混合气的着火和燃烧过程,又诱发碳烟颗粒的产生,研究结果对优化燃烧系统设计,验证燃烧模型提供了有价值的依据.     

喷孔形状对柴油喷雾燃烧及碳烟特性的影响

基于定压燃烧弹系统,通过纹影法和碳烟辐射光法的同步光学诊断技术,针对圆柱形和渐缩形两种形状的单孔喷油器,对比分析了两种喷孔在不同环境温度、喷射压力的工况下喷雾燃烧及碳烟生成特性.结果表明:两种喷孔形状在不同环境温度和喷射压力下,喷孔形状对喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响较为微弱,由于圆柱形喷孔内部的空化作用,在喷嘴出口处湍流动能增加,致使圆柱形喷孔喷雾锥角较大,喷雾贯穿距较小;由于相对较低的喷油速率,圆柱形喷孔的火焰浮起长度略短;通过碳烟辐射强度分析可以看出,喷孔形状对碳烟的生成产生显著影响,圆柱形喷孔的碳烟初始位置距离喷嘴更远,其由于易产生空化效应,能改善燃油与空气混合,降低火焰中碳烟的生成.     

甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变

采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.01~0.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.