滞止火焰场中TiO2颗粒的烧结特征研究

由于对颗粒粒径分布和晶型的显著影响,纳米TiO2颗粒的烧结特征在滞止火焰合成工艺中至关重要.本文通过插入式热泳采样和对合成时间的调控,对颗粒在火焰中和滞止板上的烧结特征进行了研究,进而利用颗粒群平衡模型结合表面积线性衰减理论,对火焰中颗粒的团聚和滞止板上沉积颗粒的粒径分布进行了理论分析预测,其结果与实验结果相吻合.     

自由分子区内纳米颗粒的热泳力计算

基于非平衡态分子动力学模拟方法,研究了自由分子区内纳米颗粒的热泳特性.理论研究表明,纳米颗粒与周围气体分子之间的非刚体碰撞效应会明显地改变其热泳特性,经典的Waldmann热泳理论并不适用,但尚未有定量的直接验证.模拟计算结果表明:对于纳米颗粒而言,当气-固相互作用势能较弱或气体温度较高时,气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应可以忽略,Waldmann热泳理论与分子动力学模拟结果吻合较好;当气-固相互作用势能较强或气体温度较低时,非刚体碰撞效应较为明显,Waldmann热泳理论与模拟结果存在较大误差.基于分子动力学模拟结果,对纳米颗粒的等效粒径进行了修正,并考虑了气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应,理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

对冲滞止面纳米颗粒输运的在线诊断与计算

颗粒在边界层内的输运特性对理解和调控颗粒沉积、煤粉燃烧等工业过程有重要的意义。本工作基于近年来发展的相选择性激光诱导击穿光谱(PS-LIBS)方法,对对冲火焰滞止面附近纳米颗粒的输运特性进行了高空间分辨率的解析;并利用颗粒系统群平衡的DSM方法和输运方程对颗粒的对流、扩散和热泳过程进行了数值研究,实验和计算结果吻合良好,表明现有的理论框架可定量预测金属氧化物纳米颗粒在边界层内的输运现象。     

铝颗粒粉尘对冲火焰数值模拟研究

铝颗粒由于具有能量密度高、易储存、燃烧过程不产生温室气体等优势,有望成为未来化石燃料替代的解决方案.本文建立了铝颗粒粉尘火焰的燃烧模型,其中考虑了相间传热、相变、表面化学反应、气相详细化学反应及辐射传热等过程,并针对铝颗粒粉尘对冲火焰开展了数值模拟研究.首先,通过仿真McGill大学的铝颗粒粉尘对冲火焰实验进行模型验证,并分析了实验中使用铝颗粒本身作为示踪粒子引起的气相速度测量误差,结果表明,数值模拟得到的离散相速度分布与实验结果基本一致,火焰传播速度的预测值也同实验数据吻合较好.当颗粒粒径小于10μm时,连续介质假设不再成立,相间传热模型必须考虑过度区机制,随着颗粒粒径的增加,火焰传播速度不断降低.随着对冲火焰拉伸率的增加,颗粒在火焰区的停留时间减少,并出现燃烧不完全的现象,粉尘火焰由双峰变为单峰结构.火焰传播速度随着拉伸率的增加而增大,通过线性外推可得到未拉伸的火焰传播速率约为29 cm/s.辐射引起的热损失会导致气相温度大幅降低,但辐射传热对颗粒的加热作用相对较小.     

作用在粒子上的热泳升力研究

本文基于流体内部温度梯度的剪切变化特征,提出颗粒在流体中会受到热泳升力的观点。该力与热泳现象中的粒子运动相关但不同于热泳力。介绍了求解得到该热泳升力的两种思路。比拟速度剪切流动中颗粒受到流体作用的升力的过程,给出了颗粒在温度梯度作用下受到的热泳升力的表达式。本文指出该热泳升力与流体平均温度梯度方向垂直,并且指向梯度较大的部分。针对碳纳米管热驱动和暖气片熏墙的例子,分析了热泳升力的作用。     

自由流区近壁蒸发及未蒸发颗粒的热泳分析

本文给出了自由分子流区作用在壁面附近蒸发及未蒸发颗粒上的热泳力的分析结果.分析中气体分子在壁面和颗粒表面处均假定为部分镜反射和部分漫反射.分析表明,作用在近壁颗粒上的热泳力不仅依赖于气体中的温度梯度,还和气体的压力以及壁面与气体温度比有关.颗粒表面的温度和镜反射分数对作用于未蒸发颗粒的热泳力没有影响,但明显影响作用于蒸发颗粒的热泳力.研究表明,近壁效应及蒸发对颗粒热泳的附加影响是不容忽视的.     

温度场内可吸入颗粒物运动特性的实验研究

对温度场内可吸入颗粒物的运动特性进行了实验研究,使用PDA测量了场内可吸入颗粒物的速度和浓度分布等参数,研究了实验段入口速度和温度等操作参数对温度场内颗粒相运动特性的影响.结果表明,在近冷壁区边界层内,PM2.5的轴向速度和脉动速度变化很大,颗粒因热泳力及扩散作用会向冷壁面运动并产生沉积.在实验研究的基础上,提出了计算温度场内PM2.5沉积效率的经验公式.     

TPD法测量高速空气流乙烯非预混火焰适用性研究

本文主要研究了基于热泳沉积机理的碳黑颗粒沉积法(TPD方法)在高速空气流非预混火焰中测量碳黑容积份额的适用性问题.传统的TPD方法都只是在低速空气流非预混火焰中应用,而且用于数据分析的碳黑沉积率表达式只考虑了热泳沉积机理.我们通过构造出一个新的从热电偶节点发射率变化率中直接得到碳黑沉积率表达式,分析了碳黑沉积率在沉积初始阶段随时间的变化.发现在高速空气流火焰中,热泳沉积机理并不是推动碳黑颗粒在热电偶节点表面沉积的主要机理,但碳黑沉积率还是明显呈现出了和碳黑容积份额的正相关关系.     

采用铁基催化剂在V型热解火焰中合成碳纳米管的实验研究

催化剂的选取对于V型热解火焰合成碳纳米管具有重要的影响.实验中分别采用五羰基铁、二茂铁、纳米铁粉等作为催化剂,取样时间为10 min,温度约为1150 K,催化剂的引入方式为喷雾热解方法,利用扫描电镜和透射电镜对合成的碳纳米管进行形态和结构表征分析.实验结果表明:利用V型热解火焰合成碳纳米管时的关键物质是纳米氧化铁颗粒...     

温度依变性对纳米颗粒悬浮液导热系数测量影响

本文报告了50 nm氧化铜(体积百分比φ≤0.6%)与去离子水的悬浮液有效导热系数测量结果,讨论了温度依变性对导热系数的影响,运用适用于低浓度悬浮液的能量和质量方程进行分析表明,颗粒空间分布和温度场间相互影响,进而影响导热系数测量结果.考虑低浓度悬浮液中颗粒布朗扩散和热泳作用,讨论了运用准稳态方法测量纳米颗粒悬浮液导热系数的有效性,即需同时保证合适的加热热流密度和液体试样两侧的温差.     

煤粉燃烧火焰区域内形成的亚微米颗粒电镜研究

煤粉燃烧火焰区域是燃烧过程中温度最高的区域,同时也是温度梯度、组分浓度梯度最高的地方,以及还原和氧化气氛交错存在等复杂环境,这种环境对亚微米颗粒初始形成阶段有着重要的影响,对该区域形成的PM1进行研究有助于深入理解PM1的形成机理.本文基于25 kW一维下行炉内对自维持燃烧的煤粉火焰区域,通过两级稀释水冷等速取样系统和ELPI(荷电低压撞击分离器)系统对颗粒物进行分级收集,以及电镜分析技术,获得PM1的质量和数浓度粒径分布,以及各粒径主要成分分布,并进行单颗粒分析.结果表明火焰区域中形成的亚微米颗粒以含碳物质为主,碳烟、碱金属和硫对超细颗粒有富集的趋势.该区域的亚微米颗粒同时存在多种复杂的形成机理.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

弱旋湍流火焰合成纳米二氧化钛的机理研究

湍流效应在火焰合成纳米TiO2颗粒工业化规模放大中具有重要影响.本文基于一种内加环形旋流片的弱旋火焰开展了合成TiO2纳米颗粒的实验研究.对于内径12 mm管式燃烧器,加入旋片后火焰贫燃极限大幅度降低16%～33%,火焰高度也从9.0 cm减少到3.0 cm,焰区温度约减少20%～30%.研究表明,弱旋湍流火焰具有流速大、可燃当最比低和温度低的特点,使其相对无旋火焰可以合成粒径较小、烧结程度较低的TiO2纳米颗粒.     

不同燃烧状态飞火颗粒自由燃烧规律研究

飞火是开放空间中大尺度火灾非连续性蔓延的主要形式。本文通过不同热流下的木质飞火颗粒自由燃烧实验,揭示不同燃烧状态飞火颗粒的结构变形、质量损失及温度分布的变化规律。研究表明,颗粒结构变形受材料化学反应机制和热机械力作用共同影响;颗粒燃烧反应易造成热解气体的内部积聚,以致内压激增、诱发喷射或喷溅细小颗粒的现象;阴燃过程颗粒表面温度变化较小但持续时间很长,明火状态的颗粒持续高温并且温度与质量变化剧烈。     

大速差射流预燃室煤粉燃烧的颗粒轨道法数值模拟

本文用颗粒轨道模型对流场复杂的二维大速差射流燃烧室内煤粉燃烧进行了数值模拟,给出了包括热态气相流场、温度场和浓度场等在内的各种气相场分布,同时也给出颗粒轨道及其速度、温度、质量等的变化。模拟结果再次揭示了该燃烧室内流动和燃烧的主要物理特征,并着重指出煤粉颗粒在燃烧室内的行为对火焰稳定的重要影响。     

颗粒层面敏感性分析在湍流预混火焰中的应用

以一个带值班火焰的甲烷-空气预混射流火焰(PPJB)为研究对象,对中心射流速度分别为50 m/s(PM1-50)与200 m/s(PM1-200)的两个火焰进行RANS-PDF模拟。利用颗粒层面敏感性分析方法,研究了IEM与EMST两种混合模型在湍流预混火焰中的特性,发现对于PM1-50火焰,尽管两种混合模型对组分平均值的预测非常相似,但却对应了两种燃烧模式,EMST对应火焰传播模式,而IEM对应自着火模式;对于PM1-200火焰,两种模型均对应火焰传播模式。通过比较敏感性系数的径向分布,发现对于PM1-50火焰,增强混合或反应强度都可以促进反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制。对于PM1-200火焰,在上游位置处,增强混合反而会抑制反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制;在下游位置处,化学反应是火焰的控制物理过程。     

火焰喷雾热解合成ZrO2纳米颗粒的大涡–群平衡Monte Carlo(LES-PBMC)模拟

本文基于OpenFoam平台开发的非线性大涡模拟–部分搅拌反应器(NLES-PaSR)模型，对FSP湍流喷雾燃烧火焰进行LES模拟，并首次发展了高效的多维群平衡蒙特卡洛(PBMC)方法，对FSP过程中ZrO2纳米颗粒的时空演化过程进行描述。结果表明，FSP是一个剧烈的强湍流燃烧过程，在周围稳燃火焰的影响下，其火焰温度具有两个峰值，且三种动力学事件的发生速率均在第一个温度峰值(HAB=0.012 m)达到最大。随着颗粒在火焰中的迁移及停留时间的增加，颗粒粒径逐渐增大。三种动力学事件之间的相互竞争关系以及颗粒在流场中的迁移行为，共同影响着火焰中颗粒尺寸、形态的演变。     

脱硫塔内单液滴捕集颗粒物的数值模拟

针对脱硫塔内单液滴捕集颗粒物,建立了考虑惯性、拦截、布朗扩散、热泳和扩散泳作用的单液滴捕集颗粒物模型。基于数值模拟结果分析了温度、液滴直径和颗粒粒径对单液滴捕集过程及效率的影响规律。无量纲分析表明,对脱硫塔环境下亚微米颗粒物的捕集,泳力作用强于惯性作用。推导了考虑Stefan流的扩散泳效率计算公式,经数值模拟结果检验,采用该公式能够准确地计算湿法脱硫过程对颗粒物的脱除效率。     

光热偏转光谱法测量煤油火焰内的速度分布

火焰的速度测量是燃烧力学和流体诊断中的研究内容之一,对于燃烧成分分析和推进动力学具有重要研究意义。激光多普勒速度测量学测量精度高,但由于测量过程本身的复杂性以及其在低速测量中的误差增大使得该方法的应用受到限制,因而光热偏转光谱法在面向低中速流体测量时具有较好的实用价值。光热偏转光谱法测速使用一束泵浦光入射到被测介质中,由于流体介质中成分吸收光后形成热透镜分布,当一束探测光入射到介质中时,由于热透镜移动使探测光产生偏折,通过测量探测光相对泵浦光的高度和信号偏转对应的飞行时间,可得到流体的速度。通过自建泵浦探测光热偏转实验装置,使用单脉冲能量为20 mJ、波长为355 nm的泵浦光和功率为2 mW、波长为632.8 nm的连续探测激光对煤油火焰的不同位置进行了速度测量,测量装置的空间分辨率为2×10~(-5) cm~3。对距煤油灯芯高度5, 8和11 mm处的火焰平面进行了速度测量,得到了火焰对应的水平速度分布,发现在接近火焰下方的位置,同一水平面的火焰外部速度高于内部速度;在接近火焰上方位置,同一水平面的火焰内部速度高于外部速度;同一平面的速度分布接近于抛物线形分布。对距火焰中心±2 mm的三个竖直平面进行速度分布测量,得到了对应竖直面的速度分布,发现竖直中轴线上靠近火焰底部的点速度慢于两侧,上部的速度快于两侧,同上述水平速度分布测量得到的结论一致。实验所测得的火焰速度在0.2～1.5 m·s~(-1)之间。通过使用单脉冲能量分别为20, 40和60 mJ泵浦激光,分析了介质击穿在速度测量过程中引入的误差。通过进一步优化系统信噪比,光热偏转光谱法作为流体速度测量的有力工具将可实现对温度和浓度等参数的测量并用于燃烧诊断。     

喷动床内纳米颗粒气固两相流动的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,颗粒动理学理论模拟颗粒相流动,采用周涛和李洪钟(1999)的力平衡模型预测纳米颗粒聚团尺寸,对喷动床内纳米颗粒聚团流化过程进行了数值模拟,得到了喷动床内纳米颗粒聚团的流化过程,获得喷射区和环隙区内颗粒相速度和浓度分布。分析了喷动床结构和进口气体速度等对纳米颗粒聚团流化特性的影响。由于纳米颗粒的特殊性质,不易形成喷泉区。适当的喷动床结构和进口气体速度有助于形成稳定喷动。