正癸烷燃烧反应中OH,CH和C2自由基的瞬态发射光谱

采用ICCD瞬态光谱测量系统和加热激波管,在点火压力2.0atm,点火温度1 100～1 600K,当量比1.0,燃料摩尔分数1.0%条件下,实时测得了正癸烷/氧气/氩气燃烧过程的瞬态发射光谱,光谱范围200～850nm。结果显示燃烧过程中主要发射光谱带归属于小分子中间产物OH,CH和C2自由基,光谱强度的变化反映了燃烧过程中三种自由基浓度的变化历程;正癸烷燃烧过程中光谱强度峰值之比大于同为链烷烃的正庚烷相应OH/CH峰强度之比,揭示出两种链烃燃烧反应机理有较大差异。实验还获得了正癸烷燃烧过程中能显示谱带转动结构的CH和C2高分辨特征发射光谱。实验结果对了解正癸烷燃烧性质和验证正癸烷燃烧反应机理很有意义。     

瞬态发射光谱法研究正十二烷燃烧反应特性

采用加热激波管和增强型CCD瞬态光谱测量系统,在波长范围200~900nm,点火压力4.0atm,点火温度(1 200~1 300)K,当量比0.5、1.0和2.0的条件下,实时测得了正十二烷/空气和正十二烷/氧气/氩气燃烧过程的瞬态发射光谱.结果表明:燃烧过程在此波段内的主要发射光谱带归属于反应中间产物OH、CH和C2自由基;在不同当量比条件下,燃烧过程中OH(306.4nm)/CH(431.4nm)/C2(516.4nm)的光谱强度显著不同,贫油情形有利于OH自由基生成,富油情形有利于C2自由基生成;浴气的不同会导致燃料燃烧温度的不同,从而引起燃料燃烧发射光谱的不同.所测燃烧反应自由基的时间分辩光谱直观反映出正十二烷燃烧过程中重要中间产物OH、CH和C2的变化情况.研究结果有助于认识正十二烷燃烧反应特性和验证其燃烧反应机理.     

利用OH自由基特征发射谱测量正庚烷的点火延迟时间

在化学激波管中利用反射激波进行点火,采用OH自由基在306.4nm处特征发射谱线强度的急剧变化标志燃料的着火,由光谱单色仪、光电倍增管、压力传感器和示波器组成测量系统,测量了正庚烷/氧气的点火延迟时间,点火压力(1.0±0.1)和(0.75±0.05)atm,点火温度1 170～1 730K,当量比1.0,得到了在此实验条件下正庚烷/氧气点火延迟时间随温度变化的关系式。研究结果表明正庚烷/氧气点火延迟时间随温度的增加呈指数减小,点火压力为0.75atm时,随着点火温度的增加,点火延迟时间的变化率要小于1.0atm条件时。实验结果为建立正庚烷燃烧反应动力学模型,验证正庚烷燃烧反应机理提供了实验依据。     

甲基环己烷燃烧反应特性的光谱研究

利用激波管实验装置由反射激波点火,在点火温度1 164～1 566 K,点火压力1.03～1.99 atm,燃料浓度为1.0%,当量比为1.0的条件下,用光谱单色仪、光电倍增管、压力传感器和示波器等组成测试系统,测量了甲基环己烷燃烧过程中主要中间产物OH,CH和C2自由基特征光辐射随时间的连续变化,并测得了甲基环己烷/氧气/氩气的点火延迟时间。通过对测量结果的分析,初步认识了甲基环己烷燃烧反应中几个主要中间产物的光辐射特性及其反映出的甲基环己烷燃烧反应特性。实验所测点火延迟时间与已报道的实验结果和燃烧反应机理预测结果符合较好。本文实验结果为构建和验证甲基环己烷燃烧反应机理提供了实验依据。     

发射光谱法研究甲基环己烷燃烧时激发态自由基时间历程

采用三组单色仪探测系统,测量了甲基环己烷在高温反射激波作用下瞬态燃烧反应过程中三种激发态自由基OH*,CH*和C*₂的特征光辐射,得到了激发态自由基时间历程和光辐射相对强度随温度的变化规律。反射激波温度1 200～1 700 K,激波压力1.5 atm,甲基环己烷摩尔分数0.1%,当量比1.0。在点火燃烧初始阶段三种自由基几乎同时产生,自由基持续时间随着温度的升高而变短。相同温度下CH*和OH*自由基持续时间大于C*₂自由基,在1 400 K以下C*₂自由基发光消失。OH*和CH*自由基发光强度在T<1 400 K时对温度变化不敏感,而在T>1 400 K时CH*自由基峰值随温度快速增长,C*₂和OH*峰值随温度增大比较平缓。将实验结果和化学反应机理模拟结果进行了对比,实验获得的OH*自由基时间历程在低温时和机理预测结果吻合较好,但在高温时有一定差异。CH*自由基时间历程在高温与机理结果吻合较好,在低温时机理预测结果CH*自由基持续时间要长于实验结果。实验测得的结果为含激发态物种化学反应动力学机理的验证和优化提供了依据。     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.     

基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

高光谱技术提供了空间和光谱维度的信息,同时基于传统黑体模型的实验技术和计算方法不适用于甲烷火焰的辐射特性,而火焰中自由基的高光谱信息反映了火焰结构、组分浓度分布等燃烧的多方面特征,能够为燃烧模型的完善提供依据。利用高光谱技术在不同当量比和不同流量下研究了甲烷预混火焰中自由基的空间和光谱特性。对不同当量比的研究表明,随着当量比的增加,火焰中心处的CH*和C*₂自由基的辐射强度先增加后降低,而燃烧区域内二者的平均辐射强度一直增加,火焰中心处的点可以表征局部的燃烧状态,而燃烧区域内辐射均值表征热释率等整体燃烧状态,定量给出了两种方法的不同趋势。火焰中心处的CH*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值,而C*₂自由基辐射强度在当量比为1.12时达到峰值,两种自由基的辐射峰值可以分别作为燃烧中反应强度和稳定性的判据。当量比可以由C*₂和CH*辐射强度之比来表征,修正了C*₂/CH*和当量比的线性关系,提出应使用燃烧区域内C*₂和CH*的平均辐射强度之比,并提出了该比值与当量比的二次关系。利用高光谱技术生成了燃烧区域内C*₂/CH*的云图,得到了详细的空间信息,当量比大于1时,首次在火焰面附近发现了明显的过渡区,体现了高光谱技术的优势。对当量比保持不变情况下的不同流量的研究表明,随着流量的增加,火焰高度增加,而火焰顶部和火焰中心的自由基的浓度分布基本不发生变化,揭示了实验工况下流动的特征时间远小于化学反应特征时间,化学反应过程未受到明显影响。应用高光谱较好的识别出了火焰中的多种自由基,研究了甲烷层流预混火焰中自由基辐射特性及其随着不同当量比和流量变化的趋势,对燃烧现象和机理的认识具有重要意义。     

瞬态光谱法确定环氧丙烷DDT过程中起主导作用的基团

解决了燃料爆燃转爆轰(DDT)过程初始阶段弱辐射瞬态光谱测试问题、反应中间产物辐射相对强度定标问题和瞬态光谱测试系统同步控制问题后,从爆炸激波管的6个不同侧窗,拍摄了环氧丙烷DDT过程不同距离处的曝光时间为2～8 μs、分辨率达到0.2 nm的瞬态发射光谱。对所测光谱进行相对强度定标后,得到了主要反应中间产物光辐射强度随燃烧波阵面传播距离的变化曲线, 此曲线反映出DDT过程中反应中间产物的发展过程和其相应的浓度变化。结果显示,在爆燃阶段,燃烧气体的化学反应速率平缓增加,反应中间产物浓度逐渐增大;但在爆燃转爆轰的瞬间,反应急剧增快,反应中间产物的浓度突跃式地成倍增大。其中CO分子和CHO,OH自由基的浓度增幅显著大于其他反应产物,表明这几个基团是环氧丙烷爆燃转爆轰过程中起主导作用的重要基团。     

二甲醚/空气对向流扩散燃烧反应历程的数值研究

本文采用详细化学反应动力学模型对二甲醚对向流扩散燃烧火焰进行了数值模拟,通过分析二甲醚燃烧过程中基元反应速度、关键中间产物和自由基,得到了二甲醚在对向流扩散燃烧中氧化的主要反应途径.结果表明,反应主要发生在高温区域(大于 800 K),CH2O、H2 和 CH4是重要的中间产物;OH、H 和 CH3是重要的自由基,在生成 CO、CO2和 H2O 的过程中起到关键性作用.     

用TR-FTIR研究CH＋NO2的反应

CH自由基是烃类燃烧过程中反应活性很高的重要的中间产物[1,2].CH自由基与氮氧化物的反应被认为是通过二次燃烧过程减少氮氧化物的主要反应之一,也是对火焰中氮化物的化学行为建立模型的关键步骤[3].但是,对于CH与NO2反应的研究还不是很深入,到目前为止,只有两篇论文报道了该反应在298K时的总包反应速率常数[4,5].Taeg和Hershberger用红外二极管激光吸收法研究了该反应[6].他们在实验中只观测到了产物CO和NO,但一些较低能量的产物,如NH+CO2、OH+NCO等却没有被观察到.为了更深一步了解CH与NO2的反应产物及反应通道,我们用时间分…     

HCCI燃烧过程化学发光光谱研究

在一台经改装单缸光学发动机机上,进行不同喷油策略和进气温度条件下均质压燃(HCCI)燃烧化学发光光谱实验研究。实验保证循环供油量一定,燃用正庚烷作为燃料,转速600 r.min-1,进气压力0.1MPa,控制2个不同的进气温度:95和125℃。化学发光光谱研究结果表明,低温反应阶段化学发光很弱,主要源于甲醛光谱;低温反应后期-负温度系数区-高温反应初始阶段主要发光来源还是甲醛光谱;高温反应阶段发光主要来源于CO—O*连续谱,同时在CO—O*连续谱上出现OH,HCO,CH,HCHO谱峰;高温反应后期化学发光明显减弱。与-30°ATDC喷油相比,-300°ATDC喷油时CO—O*连续谱发光强度更大,HCO和OH生成量更多,燃烧反应进行程度更深。较高进气温度下CO—O*连续谱发光强度更大,HCO和OH生成量更多。     

利用火焰发射光谱来研究汽油机的燃烧过程

本文用一套精密的光电转换系统，采集了一台汽油机燃烧过程中火焰辐射在可见光到近紫外波段内的光谱，探测到了燃烧中间产物ＣＨ、ＣＮ、Ｃ２、Ｈ２Ｏ等的特征光谱，并分析了这些产物在燃烧过程中的变化规律，以及随过量空气系数，缸内压力的变化．实验结果表明，汽油机三个不同的燃烧阶段具有不同的燃烧光谱特征：着火过程中，存在着大量的处于激发态的分子、原子、离子、自由基等活化中心的束缚态光谱，随着燃烧发展，ＣＨ、Ｃ２自由基的光谱强度明显加强；当减小过量空气系数时，光谱强度变弱并且着火延迟期增长；自由基特征光谱的光强变化曲线可以反映它们在燃烧过程中的浓度变化．所以火焰发射光谱是实时检测燃烧中间产物，特别是ＣＨ、Ｃ２等有害排放物变化规律的有效手段，可以为分析、模拟燃烧过程，控制排放提供有用的实验数据．     

环氧丙烷爆燃转爆轰过程反应产物的光谱法确定

采用由增强型ICCD光谱探测器、SpectraPro-275光谱仪和DG535同步控制器组成的瞬态光谱测量系统,在解决了测试系统时间同步问题、弱光探测问题、提高光谱分辨率问题和波长定标及防止误触发问题后,在长4.0 m,内径为0.10 m的爆炸激波管侧窗,拍摄到了持续时间仅为数ms的环氧丙烷爆燃转爆轰过程的曝光时间为1～16 μs的瞬态发射光谱。测量系统的光谱分辨本领达到了0.2 nm 。根据由碳、氢和氧组成的小分子和自由基的特征辐射谱带带头波长值,经过对所测光谱进行分析和辨认,确定了在环氧丙烷的爆燃转爆轰过程中有OH,CH,C₂,C₃,CO,CO₂,CHO和CH₂O这些反应产物出现。这些反应产物的确定,是进一步分析环氧丙烷爆燃转爆轰过程的微观机理必不可少的实验依据。     

氟氯酰与正癸烷反应的瞬态光谱和机理探索研究

氟氯酰（ClF₃O）是一种极强的氟化剂和氧化剂,极易与水和有机物发生爆炸性反应。目前关于氟氯酰与水以及有机物等物质的反应机理不多见,氟氯酰与水以及有机物等物质由反应物变成产物的过程有待研究。采用ICCD瞬态光谱测量系统,实时拍摄到无氧和有氧环境下氟氯酰和正癸烷反应的瞬态发射光谱;采用量子化学理论方法对氟氯酰和正癸烷的反应机理进行了探索研究,理论计算与试验结果相一致。瞬态发射光谱试验结果表明,在无氧环境下,氟氯酰和正癸烷反应会产生CH和C₂自由基,证实了无氧时氟氯酰确实能与正癸烷发生反应,显示出氟氯酰的高活性;在有氧环境下,则会产生OH,CH和C₂自由基。CH自由基强度最大的发射峰位于431.4nm,归属于A2Δ-X2П电子态之间的跃迁;C₂自由基强度最大的发射峰位于516.3 nm,归属于A3П_g-X3П_u电子跃迁;OH自由基强度最大的发射峰位于309.5 nm,归属于A2Σ+-X2П_i电子跃迁。量子化学理论计算结果表明,ClF₃O与正癸烷的反应始于ClF₃O中具有较多负电荷的F原子向正癸烷分子中间的H原子进攻生成HF,该引发反应活化能很低,并大量放热。在无氧环境下,氟氯酰与正癸烷可能发生氟代反应,反应产物为ClFO、HF和相应的氟代烷烃等。氟代烷烃可能会发生脱氢反应生成C₁₀H₂₀F,接着裂解为C₄H₉及氟代烯烃C₆H₁₁F;C₄H₉进一步分解为C₂H₅和C₂H₄,最终形成CH和C₂自由基等。有氧环境下反应初始步骤与无氧条件下相同,当反应进行到一定程度,产生烷烃自由基之后,O₂参与反应,形成过氧自由基,过氧自由基继续分解,产生OH,CH和C₂自由基。在氧气参与下,反应过程中产生大量的OH自由基,加速反应的进程,宏观上表现为正癸烷被引发爆燃与燃烧。这些自由基和中间体对于揭示氟氯酰和正癸烷反应的微观机理具有重要的指示意义。氟氯酰和正癸烷的反应机理与试验结果均证实：小自由基CH、OH和C₂是氟氯酰与正癸烷反应过程中的重要中间产物,这对于认识氟氯酰与正癸烷反应的微观过程非常重要,也为氟氯酰的武器化应用奠定了一定的理论基础。     

铝粉对己烷与氧混合物快速反应发射光谱的影响

观察高温激波管中己烷与氧气在不同摩尔比下加入不同粒度铝粉前后的快速反应发射光谱。整个光辐射范围从４００ｎｍ一直延伸到探测上限８３０ｎｍ。对几种较重要反应产物的辐射时间变化进行了研究，发现铝粉的加入提高了己烷的反应特性，确定了几种反应产物光辐射出现的可能顺序为：Ｃ２、ＣＨ、ＣＨ２Ｏ、ＣＨＯ、ＯＨ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２，并对己烷快速反应点火机理进行了初步分析。     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

JP-10点火延时的激波管研究

在预加热激波管上测定了JP-10的点火延时时间．采用高精度真空仪直接测定注入激波管中JP-10蒸气压力，获得了JP-10气相浓度，解决了高碳数碳氢燃料点火延时激波管实验时管壁吸附影响燃料气相浓度确定的困难．采用压力传感器、单色仪和光电倍增管记录得到了完整的点火过程引起的压力变化和OH或CH自由基发射强度变化．自由基发射信号作为诊断点火发生的手段．当实验压力为151?556 kPa，温度为1000?2120 K，JP-10摩尔百分比为0.1%?0.55%，化学当量比为0.25、0.5、1.0、2.0时，获得了点火延时时间与实验温度、JP-10浓度、O2浓度的依赖关系，结果还表明，高温区和低温区呈现出不同的依赖关系．