基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究

制作了1个以液体为燃料可以产生层流扩散火焰的燃烧器,应用双色激光诱导炽光法(LII)技术来测量火焰中的绝对碳烟体积分数.基于在2个波长上获取的火焰中某1点的LII信号,获得被激光加热的碳烟粒子温度,同时得到此点的碳烟浓度,通过映射得到火焰的二维碳烟浓度分布.采用激光诱导荧光法可获得碳烟前驱物多环芳香烃在火焰中的二维分布,将激光诱导荧光和激光诱导炽光相结合,在柴油和生物柴油混合燃料的层流扩散火焰上进行测试.研究结果表明,随着生物柴油掺混比例的增加,碳烟和多环芳香烃的最大浓度都随之降低,浓区分布面积也进一步缩小.     

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.     

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.     

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.     

氧浓度对C2H4扩散火焰中碳烟形态演化的影响

利用SiC纤维沉积取样法结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)分析,研究了氧浓度对C2H4/O2/N2扩散火焰中碳烟形态特征演化的影响.由结果可见,在本文实验工况范围内,氧浓度的变化对碳烟沉积物的生成量和微观结构变化有较大影响.在氧体积分数为15%条件下,首次在火焰中心位置发现了液滴状碳烟沉积物.随着氧体积分数从15%增加到25%,碳烟沉积物逐渐由大的乳突状不规则团体向絮状和纤维状转变,碳烟的总生成量迅速增加.EDS分析表明,氧体积分数在促进碳烟生成的同时,也加速了火焰边缘成熟碳烟颗粒表面的氧化.     

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.     

活化热氛围中CO2体积分数对喷射起升火焰自燃及碳烟排放特性的影响

研究了可控活化热氛围协流中CO2体积分数对中央喷射液体燃料起升火焰的自燃及碳烟排放特性的影响.结果表明,协流中加入少量的CO2时,协流温度基本保持不变,但起升火焰的自燃受到抑制;随着CO2含量的增加,滞燃期延长而喷射火焰起升高度增加;存在一个温度值拐点,在拐点两侧,滞燃期对协流温度的敏感性截然不同;随着协流中CO2含量的增加,拐点温度值升高.碳烟排放结果表明,随着协流温度下降和协流中CO2体积分数的增加,碳烟排放呈下降趋势.碳烟排放的增加与喷射火焰的起升高度有密切的关系,随着起升高度降低,碳烟排放的增长趋势加强.     

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.     

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     

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。     

乙烯预混火焰中乙醇添加对碳烟生长的影响

基于颗粒群平衡理论,构建了详细的碳烟模型,采用Monte-Carlo算法进行数值求解,结合详细的化学反应机理,对乙烯/乙醇/空气层流预混火焰中碳烟的生成进行了研究.通过计算对比了不同比例乙醇(0、10%、20%和30%)添加对碳烟颗粒生成过程的影响,获得了不同火焰高度下碳烟体积分数和尺寸分布等信息.结果表明:乙醇的添加增强了火焰中碳烟前驱物和碳烟颗粒的氧化反应,有效抑制了碳烟的生成;随着乙醇添加量的增加,颗粒尺寸分布的双峰结构越不明显,第2峰值往前推移.     

用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度

激光诱导炽光法作为一种非接触激光诊断技术,可以用来测量火焰中的二维碳烟体积分数分布,具有高的时间和空间分辨率.对于定量碳烟体积分数测试,需要对LII信号进行校准,来获得绝对的二维碳烟体积分数分布.近年来一种基于双色测温原理的校准方法由于具有实现简单、测试精度高、可以在线进行标定等特点得到推广和使用.搭建了一套LII二维测试系统,获得了乙烯扩散火焰的碳烟体积分数分布二维图像.根据双色测温原理采用校准系统,对二维碳烟分布图像进行标定,获得绝对碳烟体积分数.结果显示,乙烯火焰中的碳烟最浓区分布在火焰的外侧,碳烟体积分数随火焰高度增加而增大,达到最大值后碳烟体积分数在氧化作用下开始逐渐降低,直至完全消失.研究结果验证了此套LII测试系统的有效性,可以用来进行碳烟体积分数定量测试.     

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.     

氧体积分数对甲烷同轴射流扩散火焰碳烟形貌的影响

针对甲烷同轴射流火焰,利用直径12,μm的Si C纤维沉积采样,并结合场发射扫描电子显微镜观测和热电偶测温,研究了富氧(O2/N2)气氛对火焰中碳烟沉积物形态演变的影响.结果表明:火焰中碳烟沉积物形态强烈依赖于其在火焰径向、轴向的位置和氧体积分数的变化.随氧体积分数由21%,上升到31%,,同一火焰高度处,碳烟生成量迅速增加,碳烟初生位置提前,初生碳烟颗粒粒径为20~36,nm,火焰高度增加,火焰边缘尺寸较大的团簇状的碳烟沉积物逐渐演变为更为致密的絮状、海绵状和纤维状碳烟沉积物.     

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.     

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。     

乙醇对汽油火焰碳烟生成特性影响的试验研究

设计并制作了一套新型的能够产生稳定层流火焰的液体燃烧器。将体积分数为0%、20%、50%和85%的无水乙醇混入92#汽油配制出了不同掺混比的乙醇汽油混合燃料,应用光学诊断技术在常压下对各燃料稳定火焰中的碳烟浓度分布进行测量,研究了添加乙醇对汽油火焰中碳烟生成特性的影响。研究结果表明:在保证碳元素流量为6.05g/h的情况下,随着燃料内乙醇的增加,各燃料均能生成稳定火焰,火焰高度保持在(50±1)mm;火焰中各个高度上的碳烟浓度都出现不同程度的降低;碳烟生成总量呈现直线下降规律,E20、E50、E85火焰中的碳烟总量相对于E0火焰分别降低了16.20%、37.77%和61.66%。     

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.     

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．