基于分形理论的甲醇/柴油燃烧颗粒微结构研究

采用同步辐射小角X射线散射(small-angle x-ray scattering,SAXS)技术,研究了柴油机燃用不同甲醇掺混比例(0、5%、15%)的甲醇/柴油混合燃料(分别记为M0、M5和M15)时颗粒的微结构。通过对散射强度和散射矢量进行不同变换和处理,结合分形理论和小角散射理论,得到了颗粒的空间结构、表面形态及团粒间隙和尺寸等参数。研究结果表明:与柴油燃烧颗粒相比,随着燃料中甲醇掺混比例增大,燃烧颗粒中的电子密度差逐渐增大,颗粒的尺寸减小;颗粒表面较为粗糙无序;M0、M5、M15的团粒间隙分别主要分布在5~7nm、8~10nm、11~13nm,团粒间隙的尺寸和数量呈上升趋势;团粒间隙分维数与团粒尺寸呈正相关,掺混甲醇后随着颗粒团粒尺寸的增大,颗粒的分布越松散,团粒结构越不稳定。     

汽/柴油混合燃料火焰中的碳烟生成特性

在一个能够产生稳定层流火焰的液体燃烧器上,采用二维消光法对不同掺混比例的汽油/柴油混合燃料G0、G20(汽油、柴油体积比为1∶4)、G50、G80和G100层流扩散火焰中的碳烟生成特性进行测量研究,获得了火焰的透射率图像,通过反演算法测得了火焰中的二维定量碳烟浓度分布,旨在分析混合燃料火焰的碳烟特性变化,并采用热泳探针采样和电镜分析的方法对火焰中的碳烟颗粒形貌及粒径进行了观测.试验结果表明:随着汽油掺混比例的增加,汽/柴油混合燃料火焰中的碳烟浓度分布整体呈现降低趋势,体现了柴油较强的碳烟生成能力.火焰中HAB=20,mm高度上的初始碳烟颗粒粒径也呈现减小趋势,粒径范围基本在14~39,nm.     

乙烯预混火焰中燃空当量比对碳烟纳观结构、分形维数和氧化活性的影响

基于乙烯/氧气预混燃烧系统以及热泳取样和毛细管取样系统,结合场发射透射电子显微镜和热重分析技术,研究了燃空当量比对碳烟颗粒纳观结构、分形维数和氧化活性的影响规律.研究结果表明,随着燃空当量比的增加,碳烟分形维数和基本碳粒子粒径均增加,表明碳烟颗粒团聚程度提高,碳烟生长得到促进;随燃空当量比增加,碳烟微晶长度增大,层间距和曲率均减小,碳烟微观结构更为有序;燃空当量比的增加,导致碳烟的氧化反应特征参数值均增大,碳烟氧化活性减小.另一方面,碳烟的微晶长度、层间距和曲率与表观活化能有较好的线性相关性,即碳烟结构越有序,氧化活性越低.此外,分形维数与表观活化能也存在一定的正相关性.     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样与形貌分析

在定容燃烧弹内,实现纯柴油与体积比为30%,的丁醇柴油燃料的喷雾燃烧,研究了燃烧火焰的基本特征,设计了定容弹内喷雾燃烧火焰中碳烟颗粒物直接采样台架,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对这两种燃料燃烧生成的碳烟颗粒样本进行观测、统计和分析,研究掺混丁醇对喷雾火焰和碳烟生成的影响.研究结果表明:掺混丁醇延长了喷雾火焰的滞燃期,缩短了燃烧持续期,丁醇柴油混合燃料(B30)的碳烟数密度和质量明显小于纯柴油(B00),在柴油中掺混丁醇,能够抑制碳烟生成,降低碳烟排放,同时降低了碳烟的基本颗粒粒径和平均直径,使排放碳烟颗粒物更加细微化;B00与B30的碳烟基本颗粒内部结构以无序的不定形碳为主,表面晶化不明显.     

柴油机运行工况对排气管内碳烟尺寸的影响

改变柴油机运行工况,采集排气管内碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒进行观测,拍摄碳烟颗粒形貌图片,采用Image-ProPlus软件统计分析碳烟颗粒的平均投影面积(A)、平均回转半径(R_g)、包含基本碳粒子的平均数(N_p)以及基本碳粒子的平均粒径(d_p)等特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.研究发现:改变柴油机负荷对排气管内的碳烟颗粒尺寸的影响要远大于改变转速带来的影响.转速不变时,随着负荷的增大,A、Rg、N_p和d_p均呈"v"型变化趋势,分形维数呈上升趋势;负荷不变时,随着转速的增大,A、R_g、N_p、d_p小幅度上升,分形维数基本不变.     

进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒微观形貌的影响

采用全气缸取样系统获取不同进气条件下柴油机燃烧过程中的缸内碳烟颗粒,运用透射电子显微镜(TEM)测量碳烟样品在微观尺度下的二维形貌,并计算碳烟颗粒的分形维数和碳烟基本粒子直径,进而研究不同进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒物微观形貌的影响.结果表明:在碳烟生成主导阶段,进气压力的升高会增大生成的碳烟基本粒子的平均直径;而在碳...     

基于消光法的加氢催化生物柴油的碳烟测试

在定容燃烧弹内,基于二维消光法对纯柴油和加氢催化生物柴油与柴油的混合燃料在不同环境氧浓度和喷油压力下,对碳烟的二维分布、碳烟的初始生成时刻和碳烟浮起长度进行研究.结果表明:加氢催化生物柴油由于具有高的十六烷值可以改善着火性,缩短滞燃期,混合燃料的碳烟浮起长度较纯柴油短;喷射压力越高,碳烟初始出现时刻越早,碳烟浮起长度增大;随着氧浓度增大,碳烟初始生成时刻提前,碳烟浮起长度缩短.     

烟颗粒光散射Muller矩阵测量与尺寸、形状参数的研究

对烟颗粒光散射Muller矩阵及其测量原理、测量方法进行了说明,并对依据此测量方法建立的烟颗粒光散射实验平台进行了介绍.根据烟颗粒形状具有分形结构,以及该类颗粒光散射的特点,提出了用光散射Muller矩阵测量烟颗粒回转半径与分形维数的方法,并利用该方法对棉绳阴燃烟颗粒的同转半径进行了测量,结果表明棉绳阴燃烟颗粒的回转半径大致在200-300 nm.     

后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响

基于全气缸取样平台,运用称重法、发动机粒数粒径测试分析仪(EEPS)和透射电子显微镜(TEM)等手段对采集到的燃烧过程中的颗粒物进行分析处理,研究高压共轨柴油机在后喷策略下,喷油压力对于柴油机燃烧过程中颗粒物粒径分布和形貌特征的影响.实验结果表明:后喷的加入会延长燃烧持续期;当喷油压力由100,MPa上升到120,MPa时,缸内燃烧温度压力升高、燃烧始点提前,预混燃烧在整个燃烧过程中所占比例增大,生成颗粒物粒径分布特征由双峰变为单峰,粒子数密度和碳烟质量浓度均降低,除此之外增大喷油压力还会导致燃烧过程中生成的链状颗粒减少,分形维数增大,同时减小后喷对于燃烧持续期的影响.     

典型生物质剪切破碎生成颗粒的形状特征

借助光学显微镜和Image J图像处理软件,运用统计方法和分形理论对芦苇、稻秆、豆秸及松木4种生物质经剪切破碎后的颗粒的形状特征进行研究.结果发现:随着粒径的减小,生物质颗粒的长宽比及不同生物质颗粒长宽比之间的差异均变小.芦苇、稻秆、豆秸及松木4种生物质颗粒粒度为0.180～0.425mm时,平均长宽比分别为9.82、9.00、7.01和3.01,差异较大;粒度为0.096～0.125mm时,平均长宽比较接近,分别为2.42、2.70、2.59和2.49.4种生物质颗粒具有分形特性,在所研究的粒径范围内,分形维数处于0.8 ～0.9之间,且4种颗粒的分形维数随颗粒粒径的减小表现出减小趋势,但是松木颗粒的变化相对较小.     

基于分形理论与碳分析的柴油机颗粒物特性

颗粒物外在形貌与内在含碳属性的表征已成为大气颗粒物源解析的重要手段.应用分形理论及热光碳分析法,研究高、低负荷工况下不同粒径级柴油机颗粒物形貌的盒维数及其碳组分特性.结果表明:颗粒物粒径级越小,其吸附的可溶性有机物(SOF)越多,由分形理论计算得到的盒维数数值增大.低负荷工况下的颗粒物聚集现象严重,从而导致其分形盒维数比高负荷的高;在较小粒径级或低负荷工况时,因细颗粒物的吸附效应,最易挥发的OC1组分增多.低负荷工况下,元素碳(EC)中的EC1(char-EC)大量生成,其m(OC)/m(EC)值大于10;而高负荷工况下,EC几乎主要由EC2(soot-EC)组成,其m(OC)/m(EC)值小于1.此外,颗粒物形貌的盒维数与其有机碳与无机碳组分含量具有一定的关联,颗粒物的m(OC)/m(EC)比值越大,其对应形貌图的盒维数越大,反之亦然.     

冻融损伤混凝土梁抗力性能演化的裂缝分形特征

为分析冻融循环作用下钢筋混凝土梁受压区的表面裂缝分布特征,采用自主设计的混凝土梁反力试验架对受压区受冻融循环作用的梁进行抗弯试验,取得各级荷载作用下梁表面的裂缝图像。依据分形理论计算表面裂缝分布的分形维数,并讨论分形维数与梁的荷载、跨中挠度、屈服荷载和冻融循环次数之间的关系。研究表明,受压区冻融损伤的钢筋混凝土梁表面裂缝的分布符合分形特征,其分形维数与荷载、跨中挠度、屈服荷载和冻融循环次数之间均有一定关系,裂缝的分形维数可作为钢筋混凝土构件安全性能预测的指标。研究成果可为冻融损伤混凝土梁安全预测提供参考。     

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.     

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.     

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.     

典型厨余垃圾燃烧超细颗粒物生成演化规律

采用平焰燃烧器研究典型厨余垃圾燃烧过程中超细颗粒物的生成及演化规律．挥发分燃烧阶段,火焰前侧以焦油热解裂解生成的碳烟颗粒为主,后侧则以矿物气化-凝结形成4.6～8.7 nm的硅酸盐颗粒为主,且颗粒平均粒径随着采样高度增加呈现先减小再增大的变化规律,体现出超细颗粒物生成过程中成核和聚并行为的竞争．在焦炭燃烧阶段,出现了大量10 nm级别固态方形颗粒,EDS结果显示颗粒为碱金属氯化物．由于蒸发以及硅酸化反应作用,此类颗粒平均粒径随着采样高度的提升不断减小．基于上述发现,揭示了典型厨余垃圾燃烧过程,以及碳烟演化、矿物气化-凝结及气流吹携等多种机制在内的超细颗粒物生成途径．     

机动车源大气颗粒物表面形貌及元素含量分析

应用场发射扫描电镜及X射线能量光谱仪,基于分形理论,研究不同采集区域的机动车源大气颗粒物表面形貌盒维数及其元素构成特征。结果表明,柴油机原排颗粒物大多呈球状,主要元素为C和O,粒径级较小的颗粒物粘结严重,比表面积大,形貌盒维数较大。粒径级较大的机动车扩散区域大气颗粒物呈现棱块状,Ca和Si元素含量逐渐上升,表明大粒径级颗粒物中含较多的矿物和扬尘。对于不同源的颗粒物,随着粒径级减小,其表面形貌盒维数均逐渐增大。     

加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟的试验

针对一种新型的大分子烷烃、不含氧的加氢催化生物柴油,基于先进的光学测试平台,在定容燃烧弹上、3种不同温度下开展了燃烧条件下该生物柴油的喷雾特性、燃烧特性以及碳烟生成特性的可视化研究.试验结果表明:随着加氢催化生物柴油掺混比例的增加,喷雾液相长度、着火延迟期和火焰浮起长度均呈现减小的趋势.对比50%,柴油和50%,加氢催化生物柴油的混合燃油(HB50)与柴油的碳烟生成特性发现,HB50碳烟的初始位置和初始时刻相对提前,并且在可视化区域内,碳烟的生成区域减小,碳烟的生成质量却增大.     

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.