碳黑颗粒生长模型的初步研究

本文利用反应类(Reaction Class)概念和矩(Moment)方法,研究了层流预混甲烷火焰中碳黑颗粒的成核与长大过程。模型综合考虑了颗粒的成核、颗粒间由于碰撞的聚合、以及气态组分在颗粒表面的生长。通过数值计算预报了碳黑颗粒平均粒径、总表面积、体积分数和数密度,以及萘(A4)和乙炔(C2H2)在颗粒表面的增长速率。     

CO_2对乙烯层流预混火焰初生碳烟粒径演变的影响研究

为了研究CO_2的添加对初生碳烟的影响,对添加了CO_2的乙烯层流预混滞止火焰进行了颗粒粒径分布检测,并采用修正的OPPDIF程序进行了火焰结构模拟。研究结果表明,CO_2的添加抑制了碳烟的生成,降低了成核速率和质量增长速率。CO_2与H原子的反应降低了重要气相组分H的浓度和增加了OH的浓度,而乙炔(C_2H_2)、炔丙基(C_3H_3)和苯(C_6H_6)的浓度也相应减小,并且反应温度有所降低,导致成核速率和质量增长速率均降低;而因为CO2的热容较大导致的温度降低对碳烟生成的影响较小。     

基于光谱诊断的烃类火焰碳烟形成机理研究综述

碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物,其对人类健康、空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。碳烟生成是一个复杂的物理化学过程,控制碳烟排放,需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异,这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。近些年,研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究,对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程,确定碳烟颗粒分子组成、精细结构、浓度分布等特征,也可从碳烟结构变化、黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势,探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、生长到颗粒生成、凝聚,最后进行颗粒氧化)。总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状,包括对碳烟体积分数、温度和基于图像处理的碳烟结构表征,反应碳烟前驱体(多环芳烃)、反应气氛、温度等对碳烟颗粒物生成的影响。最...     

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.     

电场对火焰形状及碳烟沉积特性的影响

建立了三种类型的直流电场分别作用于层流扩散火焰,研究了电场类型、电场强度对火焰形态及所产生的碳烟颗粒在电极上的沉积特性的影响.实验表明,针状电极由于离子风的作用会使火焰高度变短;平板状电极由于电场力的作用可使火焰顶部向阴极板倾斜,证明了有一部分碳烟颗粒本身荷正电.同时,由于环形电极同时产生离子风和电场力,影响火焰形态.而荷正电的中心电极对碳烟颗粒的排放起到抑制作用.     

PDF方法模拟钝体驻定的湍流扩散火焰

采用标量联合的概率密度函数方法,对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM1进行数值模拟,结合当地自适应建表方法加速化学反应计算,用修正的LRR-IP雷诺应力模型求解速度场.首次对3种不同规模的甲烷化学反应动力学机理进行研究,并与实验数据进行比较,结果表明,模型和反应机理很好地预测了速度场和标量场的变化及局部熄火现象,而考虑反应机理中的C2化学对火焰HM1的影响不大.     

重力对层流扩散火焰烟黑生成特性影响

本文采用数值模拟方法研究了重力对甲烷/空气同轴射流层流扩散火焰烟黑生成特性的影响,数值分析中将详细的气相化学反应机理、复杂的热物性和输运特性关系、半经验的双方程烟黑生成模型和非灰体辐射模型耦合到燃烧场的计算中。同时考虑烟黑经O_2、OH和O的氧化途径。热辐射计算采用与统计窄波段调K(SNBCK)模型相耦合的离散坐标法求解。烟黑的谱带吸收系数根据小颗粒的Rayleigh理论计算。结果表明,随着重力水平的降低,火焰峰值温度降低,微重力下烟黑浓度的最大值约为正常重力下相应火焰的两倍。这一计算结果与已有的试验数据符合较好。计算结果还表明,重力也影响烟黑成核和表面生长的位置和强度。     

平面射流场中纳米颗粒的成核与凝并

采用大涡模拟和直接积分矩方法,数值模拟了在Reynolds数为8300的平面射流中,水蒸气（相对湿度φ=70%）和硫酸蒸气（质量分数为5×10^-6）二元体系中纳米颗粒的成核与凝并,详细分析了颗粒数密度、体积密度和平均粒径的分布.计算结果表明.射流场混合动量厚度的增长和实验结果一致;射流场的拟序结构导致了涡核中心处硫酸蒸气浓度的明显减小,而纳米颗粒数密度则明显增加;拟序结构的出现导致颗粒碰撞概率增大,提高了颗粒凝并效率;在颗粒数密度较大的涡核中心,颗粒成核作用增强,从而加 关键词： 纳米颗粒 成核 凝并 平面射流     

煤粉燃烧炉内细颗粒物沿程演化特性模拟

本文针对微米及亚微米细颗粒物在煤粉自维持燃烧高温一维炉中的沿程演化特性进行了定量模拟。从高温火焰区到焦炭燃烧区,利用聚并机理和碳烟氧化模型计算了细颗粒物浓度的粒径分布(PSD)变化,表明碳烟氧化是焦炭燃烧区颗粒浓度分布变化的主要因素,仅聚并作用无法生成PM_(0.1)以上颗粒。并通过预设碳烟份额得到与实验值吻合较好的焦炭燃烧区出口颗粒浓度分布曲线。     

氢气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性研究

本文基于详细化学反应机理和输运性质,对氢气/空气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性进行了数值分析.研究发现预混火焰区存在脉冲不稳定现象,振荡过程可形成极限环,此时火焰强度更依赖于O_2浓度,而对当地温度不敏感;扩散火焰区由于受到预混火焰区传热、传质影响,扩散火焰出现受迫振荡现象。研究结果表明增大拉伸率及当量比会抑制脉冲不稳定现象的发生,其原因是扩散火焰和预混火焰之间距离减小,具有更高温度的扩散火焰向预混火焰区导热增强,后者火焰强度增大,从而减小了Zeldovich数,抑制了不稳定现象的发生。     

太赫兹波段火焰碳黑的光学特性研究

火焰碳黑是碳氢燃料不完全燃烧的重要固体产物,对于一些污染物的生成具有重要影响,其光学特性是光学燃烧诊断的基础。利用太赫兹时域光谱技术研究了0.2～1.6 THz火焰碳黑的光学特性,通过傅里叶变换得到了碳黑的频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,把太赫兹波段的复折射率与热辐射波段的复折射率进行了比较,此外还对比了两种光学参数提取方法所得到的结果,结果表明,碳黑在太赫兹波段的吸收性较强,其折射率在太赫兹波段与在热辐射波段的差别不是很大,而吸收率在热辐射波段变化更大一些,两种参数提取方法得到的复折射率差别不是很大,研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。     

光后向散射法测烟尘浓度的实验研究

设计了一套具有高灵敏度的利用光后向散射法测烟尘浓度的装置，不仅具有实时、在线、连续测量等优点，而且价格低廉、便于安装.通过理论分析获得散射光强与烟尘浓度的关系，并通过自行设计的测量装置测量了不同烟尘浓度下的散射光强，验证了理论的正确性并获得了描述后向散射光强的电信号强度与烟尘质量浓度关系的曲线.实验结果证明在烟尘浓度较低时，后向散射光强与烟尘浓度有很好的线性关系.     

煤烟聚集粒子的光散射特性研究(英文)

基于分形理论,用计算机模拟了由球形基本粒子构成的煤烟聚集粒子。利用离散偶极子近似方法(Discrete Dipole Approximation)研究了煤烟聚集粒子的散射特性,讨论了分形煤烟聚集粒子的散射强度随煤烟聚集粒子的分形结构、大小、相对折射率及入射波波长变化情况。     

激光在随机分布烟尘团簇粒子中的衰减特性

基于分形理论,采用团簇—团簇凝聚模型对随机分布烟尘团簇粒子的分形结构进行了模拟.利用离散偶极子近似方法研究了不同类型的随机分布烟尘团簇粒子的单次散射特性.利用蒙特卡罗方法研究了激光信号在随机分布烟尘团簇粒子中的传输衰减特性.讨论了入射角、激光波长、烟尘粒子数密度以及组成单个烟尘团簇粒子的原始微粒粒径和数目等参量对激光衰减特性的影响.研究结果对激光在复杂随机介质中的传输衰减特性分析提供了理论依据.     

富勒烯灰对聚乙二醇热分解和红外光谱的影响

采用热分析和原位升温红外光谱实验研究了富勒烯灰(FS)对聚乙二醇(PEG)的影响。热分析结果显示,FS使得PEG的起始热分解温度和最大失重速率处的温度都明显推后。红外光谱结果证实,FS和PEG之间并没有生成新的化学键,FS也没有改变PEG分解产物的组成。通过对PEG和PEG+10%FS的凝聚相和气相升温红外光谱的检测,发现FS对PEG的凝聚相红外光谱影响并不明显,但却使得PEG分解放出气相产物的温度显著升高,说明FS对PEG热分解的抑制作用主要是通过对PEG气相产物的吸附和脱附来进行的。少量FS的加入即可显著抑制PEG的分解,使PEG的分解趋向高温。     

Soot emission reduction in oxygenated co-flow jet flames

A computational study was performed for ethylene/air non-premixed laminar co-flow jet flames using an axisymmetric CFD code to explore the effect of oxygenation on PAH and soot emissions. Oxygenated flames were established using N₂ diluted fuel stream along with O₂ enriched air stream such that the stoichiometric mixture fraction (Ζ_st) is varied but the adiabatic flame temperature is not materially changed. Simulations were carried out using a spatially and temporally accurate algorithm with detailed chemistry and transport. A detailed kinetic model involving 111 species and 784 reactions and a fairly detailed soot model were incorporated into the code. Two different approaches, one with constant flame height and other with constant inlet velocity are comprehensively examined to bring out the effects of changes in flame structure and residence time on soot emissions with respect to Z_st. With increase in Ζ_st, a drastic reduction in the formation of soot precursors (acetylene and benzene) and thus in soot emissions are observed. In the present study, oxygenated flames with Ζ_st ≥ 0.424 are considered as blue flames or completely soot free. For various oxygenated flames a C/O ratio between 0.45 and 0.6 is found to be most favorable for soot formation.     

燃煤碳烟生成的实验研究

本文利用Hencken型的平面燃烧器，以激光诱导白炽光（LII）和平面激光诱导荧光（PLIF）系统对燃煤碳烟的生成进行在线测量。对直径4—12mm的煤柱颗粒开放式燃烧的OH和碳烟颗粒进行PLIF和LII的实验结果表明，燃煤形成碳烟和挥发分火焰几乎同时出现和消失，煤柱产生碳烟的持续时间约和煤柱颗粒的粒径的1．8次方呈正比...     

Electron Paramagnetic Resonance of Percolation Soot Clusters in Polyethylene

The paramagnetism and the ac electrical conductivity of samples of a soot–polyethylene composite have been investigated. It has been established that the EPR line with the gfactor 2.0025 is asymmetric on the metal side of the insulator–metal concentration transition of the composite. It is shown that the asymmetry of the line reflects the appearance of a percolation soot cluster in the samples of the composite.     

Soot studies of laminar diffusion flames with recirculation zones

This paper describes the unusual sooting structure of three flames established by the laminar recirculation zones of a centerbody burner. The vertically mounted burner consists of an annular air jet and a central fuel jet separated by a bluff-body. The three ethylene fueled flames are identified as: fully sooting, donut-shape, and ring-shape sooting flames. Different shapes of the soot structures are obtained by varying the N₂ dilution in the fuel and air jets while maintaining a constant air and fuel velocity of 1.2 m/s. All three flames have the unusual characteristic that the soot, entrained into the recirculation zone, follows discrete spiral trajectories that terminate at the center of the vortex. The questions are what cause: (1) the unusual sooting structures and (2) the spiral trajectories of the soot? Flame photographs, laser sheet visualizations, and calculations with a 2D CFD-based code (UNICORN) are used to answer these questions. The different sooting structures are related to the spiral transport of the soot, the spatial location of the stoichiometric flame surface with respect to the vortex center, and the burnout of the soot particles. Computations indicate that the spiral trajectories of the soot particles are due to thermophoresis.     

Numerical Investigation on Scattering of an Arbitrarily Incident Bessel Beam by Fractal Soot Aggregates

Scattering of an arbitrarily incident Bessel beam by fractal soot aggregates is numerically investigated. The incident beam is described by the vector expressions of the zero-order Bessel beam in combination with rotation Euler angles. The scattering problems involving fractal soot aggregates are formulated with a hybrid vector finite element-boundary integral-domain decomposition method. Some numerical results are included to show the scattering behaviors of fractal soot aggregates when they are illuminated by Bessel beams.