軸對稱層流擴散火焰溫度和煙黑體積濃度檢測方法研究.pdf

1、煙黑顆粒是化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物之一，是沒有實現(xiàn)的燃料化學(xué)能,它的表面吸附有多環(huán)芳烴PAH，具有誘變性與致癌性，因此控制煙黑顆粒的排放不僅關(guān)系到燃燒設(shè)備中碳氫燃料的有效利用，還關(guān)系到環(huán)境的保護與人類的健康。要對煙黑顆粒的排放進行有效的控制，首先要深入研究生成煙黑的各種燃燒現(xiàn)象和燃燒過程，在這方面起決定作用的是各種各樣迅速發(fā)展的燃燒診斷技術(shù)，因此，本文選擇從燃燒診斷方法入手，以實驗室火焰為研究對象，研究各種新型的測量火焰溫度和煙黑顆粒體

2、積濃度的方法，包括對已有方法的改進以及提出原創(chuàng)性的新方法，為日后開展煙黑顆粒的控制研究打下堅實的基礎(chǔ)。
　　 熱電偶顆粒密度法(TPD)是本文研究的第一種方法，它是近幾年提出來的一種測量火焰溫度和煙黑體積濃度的新方法，主要通過將細絲熱電偶快速插入到火焰中并停留一段時間，待煙黑顆粒在熱電偶節(jié)點表面沉積并記錄下這段時間內(nèi)節(jié)點溫度的響應(yīng)值，然后通過一組公式的轉(zhuǎn)換從記錄的溫度響應(yīng)值中計算出火焰溫度和煙黑體積濃度，因此它屬于一種接觸式測量

3、方法，在計算過程中需要用到節(jié)點暫態(tài)能量平衡方程和煙黑顆粒的熱泳沉積率方程。本文采用這種方法對一個層流同流非預(yù)混實驗室火焰進行了測量，驗證了該方法測量火焰溫度與煙黑體積濃度的可行性。
　　 由于這種方法在建立節(jié)點暫態(tài)能量平衡方程時，忽略了一些對節(jié)點能量平衡會產(chǎn)生重大影響的參數(shù)，如節(jié)點與熱電偶偶絲的導(dǎo)熱，煙黑顆粒投射到節(jié)點表面的輻射和節(jié)點因溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)生熱等，同時在利用煙黑顆粒的熱泳沉積率方程進行計算時，采用了一些煙黑顆粒特性方

4、面的不確定性參數(shù)，如煙黑顆粒團的尺寸，密度等，在本文中采用數(shù)值計算的方法，利用節(jié)點暫態(tài)能量平衡方程和煙黑顆粒的熱泳沉積率方程模擬節(jié)點插入火焰后的溫度響應(yīng)過程，分析這些被忽略的參數(shù)和不確定性參數(shù)對節(jié)點溫度輸出響應(yīng)產(chǎn)生的影響，模擬結(jié)果顯示節(jié)點與熱電偶偶絲的導(dǎo)熱和煙黑顆粒投射到節(jié)點表面的輻射都是節(jié)點能量的重要來源，在節(jié)點暫態(tài)能量平衡方程中忽略它們會使節(jié)點溫度響應(yīng)值嚴重偏離火焰真實溫度值，從而給火焰溫度計算帶來較大誤差，而煙黑顆粒團密度的不同取

5、值也會使節(jié)點溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，而節(jié)點溫度響應(yīng)是計算煙黑體積濃度的直接輸入數(shù)據(jù)，因此不準確的煙黑顆粒團密度值也會給煙黑體積濃度計算帶來較大誤差。
　　 根據(jù)模擬研究的結(jié)果，本文也對TPD方法進行了初步的改進分析研究，即將煙黑顆粒投射到節(jié)點表面的輻射熱量和節(jié)點因溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)熱這些在傳統(tǒng)TPD方法中被忽略的參數(shù)加入到節(jié)點能量平衡方程里面去，并從新的節(jié)點能量平衡方程中推導(dǎo)出煙黑顆粒沉積率公式而發(fā)展出了一種新的計算煙黑沉積率的方法

6、，這種方法不需要采用熱泳沉積假定，相對于傳統(tǒng)TPD方法更科學(xué)，而且通過分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)TPD方法中的熱泳沉積假定在節(jié)點溫度響應(yīng)的“變發(fā)射率階段”并不成立，但這種方法目前還不能得到煙黑體積濃度值，因此還需要進一步的發(fā)展與完善。
　　 發(fā)射光譜法是本文研究的第二種方法，這種方法通過光譜檢測儀器測量特定波段內(nèi)的火焰發(fā)射光譜輻射強度值，然后通過各種重建算法從測量值中計算出火焰溫度和煙黑體積值。本文針對前人在研究中采用的各種重建算法在面對較復(fù)

7、雜火焰對象時處理效果不佳的問題，提出了一種基于正則化方法為的新算法，并通過數(shù)值模擬研究驗證了這種方法處理軸對稱層流擴散火焰的有效性，模擬結(jié)果顯示與Abel 逆變換這種傳統(tǒng)重建算法相比，新算法的重建精度明顯提高。本文同時也對前人研究中經(jīng)常采用“光學(xué)薄”假定進行了分析，通過提出的一種迭代方法重建了非“光學(xué)薄”假定火焰的溫度和煙黑體積濃度，結(jié)果顯示在火焰中煙黑體積濃度不大的情況下（小于10ppm），這種假定對火焰溫度和煙黑體積濃度的重建精度影