高旋流数管状火焰纳米颗粒合成实验研究

针对火焰气相合成燃烧器产量低的局限性,在弱旋流滞止火焰的基础上发展了高旋流数管状滞止火焰燃烧器,并选用了TTIP作为前驱物开展纳米TiO_2合成实验研究.通过在燃烧器中添加射流管装置,与弱旋流滞止火焰相比,在保持纳米颗粒的粒径及比表面积不变的情况下,燃烧器单位燃料产生颗粒量可提高10倍以上.在单一合成实验基础上,进一步开展了掺杂合成实验研究,通过独立控制轴向和切向进给,得到了掺杂均匀的二氧化钛载体钯基催化剂。     

滞止旋流火焰合成纳米TiO_2颗粒的实验研究

湍流效应是火焰合成纳米TiO2颗粒工业化规模放大的一个重要影响因素.本文基于一种新提出的滞止旋流火焰开展了合成TiO2纳米颗粒的实验研究.在旋流数0.26的条件下,可成功获得比表面积300㎡/g以上,粒径最小达5nm的锐钛矿型TiO2颗粒,这可归因于本文滞止旋流火焰具有贫燃稳定性、速度高反应快、温度梯度大等特点.实验还...     

预混滞止乙烯火焰碳质颗粒质量变化规律研究

本文采用滞止火焰微孔探针取样,结合差分电迁移率筛分仪和离心式质量筛分仪,研究了不同滞止板取样高度和当量比对预混乙烯火焰碳质颗粒的质量和有效密度的影响。结果表明质量随电迁移率直接成指数变化,滞止板取样高度对质量电迁移率指数ε影响不大,当量比对碳质颗粒有效密度的影响比较显著。     

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.     

基于热泳的气相合成纳米颗粒多场联合测量

在气相燃烧合成纳米颗粒过程中,温度分布对化学反应、颗粒的团聚和烧结有重要作用;速度分布对前驱体和颗粒的输运、颗粒的温度经历效应和停留时间有不可忽视的影响。为了研究纳米颗粒在火焰中形成和演变的过程以及化学反应和颗粒运动所依赖的温度分布、速度分布,本文在传统热泳取样的基础上提出了一种新的热泳取样-电镜分析方法。该方法在火焰内部同一测点采用热电偶测温和两次时间间隔不同的热泳取样,通过电子显微镜对样品的颗粒沉积状态进行统计和分析,能够得到火焰的温度分布、流动速度分布、颗粒体积分数和颗粒尺度分布。     

火焰合成中前驱物-颗粒演化过程的时间尺度研究

本文使用火焰合成方法在平焰燃烧器上合成了平均粒径为(23.1士1.9)nm的氧化锆纳米颗粒材料。针对火焰合成中从前驱物到纳米颗粒的演化过程,本文提出了基于时间尺度分析的简化研究方法;对合成过程中多尺度的物理化学过程进行解耦,并计算了不同温度下前驱物的分解反应与颗粒碰撞聚并过程的特征时间。从计算中可以发现,氧化锆的前驱物分解反应在10~(-5)~10~(-5)s内最先发生,从而确定了颗粒生长过程的起点位置。随着粒径的增长,颗粒碰撞聚并过程则需要10~(-4)~10~(-1)s的时间进行,该步骤控制着前驱物颗粒演化过程的整体速率,并决定了最终产物的基本形貌特征(球形/团聚),与实验观测相符。     

滞止平板对乙烯射流扩散火焰碳烟特性影响

利用高分辨透射电镜和热重分析仪,研究了滞止平板对乙烯射流扩散火焰中生成的碳烟颗粒微观结构和氧化活性的影响.结果表明,壁面作用(Flame-wall interaction)使碳烟颗粒在滞止平板表面呈同心圆分布.内圈为初生碳烟颗粒,为无定形片层结构,外圈碳烟颗粒较为成熟,形成核壳结构,且有明显的同心片层组织.内圈碳烟颗粒的氧化活性高于外圈碳烟颗粒,随着高度增加,壁面作用使内圈颗粒氧化特性减弱,外圈颗粒的氧化特性增强,内圈颗粒的氧化特性始终强于外圈颗粒.     

铜基廉价催化剂的火焰合成及甲烷催化特性研究

本文基于预混滞止弱旋火焰系统,以溶于水或乙醇的廉价硝酸盐为前驱物,采用"一步"的雾化火焰方法来合成铜基催化剂纳米颗粒。采用TEM、XRD等分析了合成颗粒的形貌及物相态,进而考察了该催化剂在甲烷催化氧化反应中的催化活性。根据TEM结果,发现乙醇做溶剂时所合成的氧化铜颗粒具有颗粒直径小且结晶度较好的特点。实验结果表明,10 nm氧化铜颗粒体现出良好的甲烷催化性能,但掺杂氧化铝后,铜基催化剂对甲烷的催化性能有所下降,其原因可归结为氧化铝对氧化铜的覆盖作用导致其有效比表面积降低。     

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.     

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。     

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.     

镁颗粒群着火和燃烧过程数值模拟

建立了一维非稳态球形镁颗粒群的着火燃烧模型, 数值模拟镁颗粒群的着火和燃烧过程, 研究表明, 颗粒群着火首先发生在颗粒群边界, 随后初始的燃烧火焰会分离为两个, 一个向颗粒群内部传播, 一个向外部传播, 最终内部火焰消失, 外部火焰维持并控制着整个颗粒群的燃烧; 内火焰向颗粒群内部传播过程中, 传播速度会逐渐加快, 且火焰温度值呈逐渐降低趋势. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火燃烧的影响. 随颗粒浓度的增大, 颗粒群着火时间略有增长, 但火焰传播速度更快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也更大. 颗粒群初温越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度也会加快, 但燃烧稳定时火焰球尺寸基本不变. 环境温度对颗粒群着火燃烧的影响较复杂, 环境温度越高, 颗粒群着火时间越短, 但火焰传播速度却越慢, 燃烧稳定时火焰球尺寸变化很小. 颗粒粒径和辐射源温度对颗粒群着火燃烧的影响较显著, 颗粒粒径越小或辐射源温度越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度越快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也越大. 数值模拟结果与文献中试验结果相一致. 关键词： 粉末燃料冲压发动机 镁着火燃烧 颗粒群     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

高分子网络凝胶法低温合成YAG∶Tb3+荧光粉

以金属硝酸盐为原料,丙烯酰胺为聚合单体以及N,N-亚甲基双丙烯桥酰胺为胶联剂,采用高分子网络凝胶法在低温下合成精细粒度Y3Al5O12∶Tb3 (YAG∶Tb3 )荧光粉.分别用热重-差热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM),以及激发和发射光谱测量对样品进行了表征,考察了烧结温度对样品结晶程度、颗粒大小的影响,以及样品发光性能与烧结温度和Tb3 浓度的关系.结果表明:YAG晶相形成温度为850℃;粉体颗粒大小均匀,随着烧结温度的升高,颗粒粒径增大,结晶程度提高;观察到Tb3 中4f-5d的吸收带以及5D4-7Fj(j=6,5,4,3)的特征发射带,最强吸收与最强发射分别发生在272,541.8 nm,与量子理论(E=1.24/λ)的计算结果相吻合,其发光强度随烧结温度的升高而增强;观察到了Tb3 在Y3Al5O12中的浓度猝灭现象.     

小型滞止旋流火焰结构和空气动力学特性的实验研究

本文结合旋流火焰和滞止火焰的特点,发展了一种新的滞止弱旋火焰燃烧器.首先,基于中心通流的弱旋旋片发展了旋片旋流数的实验测量方法,并结合推导的适用于弱旋旋片的旋流数计算公式,为旋流数的准确测量提供了一种新的简单有效的途径.其次开展了关于火焰结构、贫燃极限、稳燃区间、火焰最高温度的研究,得出加入旋片后的滞止弱旋火焰的贫燃极限,比之常规滞止射流火焰,其当量比从 0.71 显著地降低到 0.51.最后,结合 PIV 技术开展了滞止弱旋火焰的流场实验研究.     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究（英文）

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析(PCA)和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明:基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

全场彩虹技术测量喷雾浓度及粒径分布

喷雾颗粒的浓度、粒径等多参数的同时测量是研究喷雾的关键. 对应用全场彩虹技术测量双组分液滴的浓度及粒径分布进行了研究. 基于改进的Nussenzweig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解, 然后通过折射率与浓度的关系反推液滴浓度.用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证, 该算法可准确反演具有单峰分布、双峰分布粒径特征的液滴群的折射率与粒径分布. 并对体积分数从0%到100%的乙醇溶液喷雾进行了实验测量, 结果表明,所测得折射率与理论值符合,粒径分布稳定.该技术在喷雾浓度测量方面具有广阔的应用前景. 关键词： 全场彩虹技术 折射率 粒径 组分     

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。     

超重力场中合成立方形纳米CaCO3颗粒与表征

在超重力场中合成了平均表观粒径在１７．５￣２１．５ｎｍ之间，粒度分布窄的立方形纳米ＣａＣＯ３颗粒，探讨了超重力水平对颗粒粒度，反应时间的影响，并对颗粒进行了ＴＥＭ、ＸＲＤ、ＴＧ和ＤＴＡ等表征。与常重力场中合成纳米ＣａＣＯ３相比，粒度分布较窄，随着超重力水平的提高，产物粒径减小，反应时间明显降低。     

CaO碳化-煅烧循环捕获CO2高温烧结特性研究

在固定床反应系统中对PT基准CaCO3以及安徽巢东纳米CaCO3进行多循环CCRs反应,通过计算微观参数和观察吸收剂颗粒表面形貌的变化,从微观角度解释烧结作用对吸收剂转化率的影响.结果表明,烧结使得吸收剂微观晶粒之间逐渐融合,宏观表现为颗粒之间的粘合,粒径显著增大,对循环反应中吸收剂捕获CO2的能力有较大影响.对比两种CaCO3样品颗粒表面烧结程度,纳米粉末由于团聚程度高,比表面积大,其烧结程度更为严重.