水蒸气浓度对层流甲烷扩散火焰中碳烟生成的影响

对甲烷在氧—汽燃烧过程中碳烟生成状况进行了数值模拟研究。通过对比O_2/N_2和O_2/H_2O氛围下四种工况(21%O_2、30%O_2、40%O_2、50%O_2)的火焰形态和碳烟体积分数,发现相同O_2浓度下,前者火焰温度、火焰高度、碳烟体积分数均低于后者,表明H_2O能够明显抑制碳烟生成。通过对比O_2/N_2、O_2/H_2O和O_2/FH_2O氛围下四种工况的最大碳烟体积分数和最大颗粒数量密度,表明不仅H_2O的化学效应抑制碳烟生成,而且其他三大效应也共同抑制碳烟生成。通过进一步分析化学效应随H_2O浓度的变化规律,确定了H_2O浓度为60%时,化学效应的抑制效果最佳。     

部分预混对扩散火焰中碳烟成核的影响

通过测量扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率Ｋｐ,对丙烷中加入空气,氮气和氧气时的碳烟生成进行了实验研究,介绍了利用碳烟颗粒和ＰＡＨ对偏振激光的散射性能差异测量Ｋｐ的方法;通过比较不同条件下的Ｋｐ,得出结论：部分预燃具有遏制扩散燃烧中碳烟成核的作用,有利于减少碳烟的生成。     

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．     

直喷柴油机碳烟生成和氧化历程的数值研究

提出了研究碳烟的生成和氧化历程及工作条件影响的方法。将Surovikin碳烟生成模型和Nagle碳烟氧化模型集成在ICFD-CN源程序中构建多维模型，采用数值循环模拟的方法，根据不同的工作条件计算碳烟的生成和氧化历程。结合试验数据分析和比较进气温度、空燃比、负荷、转速和喷油提前角对碳烟生成和氧化历程的影响。研究表明：用数值模拟的方法反映了1137柴油机碳烟的生成和氧化历程以及设计参数对碳烟的生成和氧化的影响规律，对柴油机的设计具有参考价值。     

预混火焰中温度对碳烟表面官能团和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混火焰燃烧系统及毛细管取样技术,采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和热重分析技术(TGA),研究了火焰温度对碳烟颗粒表面官能团相对含量和氧化反应活性的影响规律.结果表明:随着火焰温度的升高,碳烟颗粒表面脂肪族碳氢官能小(aliphatic C—H)的当量峰高比IC—H/IC=C减小,含氧官能团(C—OH和C=O)的摩尔分数也减小,表明碳烟颗粒表面官能团的相对含量随火焰温度的升高而降低;碳烟颗粒氧化反应特征温度和表观活化能都随火焰温度的升高而增大,表明较高的火焰温度产生的碳烟颗粒的氧化反应活性较低;碳烟颗粒表面官能团的含量与其氧化反应活性有直接关系,表面官能团含量越少,其氧化反应活性越低.     

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.     

正丁醇-柴油低温燃烧碳烟前驱物生成机理

以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用计算流体动力学软件耦合化学动力学机理建立三维数值模型,研究了正丁醇掺混比例和EGR率对正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧碳烟前驱物(苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4))生成的影响.结果表明:碳烟前驱物主要在预混燃烧阶段生成.随着正丁醇掺混比例的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量先增加后减少,A2、A3和A4的最终生成量减少.随着EGR率的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量增加,A2、A3和A4的最终生成量先增加后减少.A3的最终生成量峰值所对应的EGR率随着正丁醇掺混比例的增大而减小.     

挥发分喷射对碳烟生成和火焰辐射的影响

利用激光诱导白炽光和增强型 CCD 拍照研究了煤燃烧中挥发分喷射对碳烟体积分数和火焰辐射强度的影响.结果表明:煤燃烧挥发分喷射会导致碳烟的大量生成以及碳烟分布位置的急剧变化,碳烟体积分数的最大值能从120×10-6增加到170×10-6,甚至更高.煤燃烧时挥发分喷射会对火焰辐射产生显著的影响,辐射的总体强度和最大值会突然出现显著的增加.模型分析表明,喷射是挥发分集中在一个较窄通道释放而形成,而不是挥发分经过时间累积之后集中释放     

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...     

考虑详细化学和物理过程的碳氢预混火焰炭黑生成动力学模型及数值模拟

研究炭黑颗粒生成的详细动力学模型,模型将矩方法扩展到包括分子自由程尺度、转捩区和连续区范围内颗粒凝结、大尺度颗粒分形聚合、形成和生长的全面描述．反应机理包括目前国际上关于气相反应、多环芳香烃PAH化学、炭黑成核以及表面氧化的最新研究成果．在描述碳氢火焰GRI—Mech3．0机理的基础上,增加了多环芳香烃组分生成和生长的PAH亚机理和炭黑表面氧化等亚机理,整个机理涉及121种物质和731个基元反应．采用以上模型和机理,模拟了常压下二种碳氢预混火焰结构,并与实验值进行比较,结果表明,模型和机理能够很好地预测主产物、中间组分、自由基和芳香烃组分生成和消耗以及炭黑形成和炭黑粒径演化过程．模型预测和实验数据符合程度因子在0．138以内．     

预混合乙烯火焰生成物相对浓度的激光诊断

针对4种典型的预混合乙烯火焰,在不同火焰温度及不同当量比下,用激光诱导炽热法(LII)和激光诱导荧光法(LIF),对预混合燃烧过程中产生的碳烟颗粒及其前驱物的相对浓度分布进行了研究,结果表明,高温、缺氧是产生碳烟颗粒前驱物的重要原因,在相同的当量比下,随着火焰温度的升高,碳烟颗粒前驱物的相对浓度明显上升,导致碳烟颗粒物相对浓度也不断升高,碳烟颗粒前驱物的相对浓度随着燃料当量比的升高而显著上升,另外,碳烟颗粒物的相对浓度变化总是与其前驱物的相对浓度变化相一致,与小分子碳烟颗粒前驱物相比较,大分子碳烟颗粒前驱物在预混合火焰中的浓度高,分布范围广.     

CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响

采用热泳取样、高分辨率透射电镜和原子力显微镜,研究了CH4-O2预混火焰中火焰温度对碳烟颗粒纳观结构的影响规律.结果表明,低温火焰中生成的碳烟颗粒的微晶长度短,微晶片层杂乱无序,没有明确的中心,而高温火焰生成的碳烟颗粒的微晶片层明显增大,微晶尺寸变长,边缘更为清晰,有明显的同心片层组织结构.基本粒子平均粒径都随火焰高度(height above burner,HAB)的增加而增加,而随着火焰温度升高而减小.初生碳烟颗粒呈扁平状,随着HAB增加,碳烟颗粒由于生长渐趋成熟,并呈现为球形或椭球形,基本粒子粒径分布变宽且出现双峰分布.     

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。     

氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的拉伸研究

采用高速纹影系统和定容燃烧弹对氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的拉伸进行了研究.分别改变燃空当量比(0.3～4.0)、初始温度(283～400,K)、初始压力(0.05～0.30,MPa)的条件下对比分析拉伸的变化规律,以及拉伸对火焰速度、燃烧速度的影响规律,还解释了拉伸对不等扩散不稳定和流体力学不稳定的影响机理.研究结果表明,随着半径的增大,拉伸率成幂函数关系逐渐减小,其指数和系数值随燃空当量比、温度、压力的变化有明显的变化规律;火焰拉伸的存在使得火焰速度和燃烧速度发生改变,同时它还是火焰不等扩散不稳定和流体力学不稳定发生的前提条件.     

不同喷射方法柴油机进气甲醇预混过程的模拟

采用欧拉气相方程和拉格朗日液滴方程,考虑液滴破裂、蒸发、碰撞、聚合以及液滴的附壁、液膜剥离壁面和气门关闭挤出液膜等现象,建立了柴油机螺旋进气道-气门-气缸的进气喷射甲醇仿真模型.对柴油机进气喷射甲醇的醇气混合进行数值模拟,用于指导双燃料发动机的改造.双燃料发动机的台架试验表明,模型计算的缸内压力与试验值吻合较好.甲醇喷射时刻直接影响本次循环进入气缸的甲醇量,闭阀喷射有利于甲醇在进气过程的雾化混合.在选择甲醇喷射方向时,要以减小甲醇在低温壁面的附壁为原则.甲醇蒸气在气缸里的轴向质量分数分层比径向质量分数分层明显.     

氢气/空气混合气层流燃烧速度的实验测量与模拟计算

采用高速纹影系统和定容燃烧弹对氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的燃烧速度特性进行研究.分别在改变燃空当量比(0.3～6.0)、初始温度(300～450 K)、初始压力(0.1～ 0.3 MPa)的条件下,对比分析Markstein长度、火焰传播速度、火焰燃烧速度的变化规律,得出了燃烧速度随燃空当量比、温度、压力变化的拟合公...     

层流预混火焰传播速度与火焰稳定传播界限的测定

采用本生灯法和直管法测定了液化石油气（LPG）、甲烷与氢燃料质子交换膜燃料电池（PEMFC）阳极尾气与空气的三种不同浓度混合气的层流火焰传播速度。此外,对三种不同浓度可燃混合气火焰的稳定传播界限也进行了测定。实验结果为多燃料燃烧器的开发提供了设计依据。     

层流预混自由火焰数学模型及数值计算的研究

采用复杂化学动力学反应模型。模拟研究了开放空间中层流预混自由火焰的燃烧问题,并预测了自由火焰温度场、浓度场的分布状况,分析了在预混火焰燃烧过程中复杂化学反应模型的影响。为燃烧器的设计提供理论依据。