基于輻射成像的擴(kuò)散火焰溫度和煙黑濃度分布研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源供應(yīng)狀況日趨緊張，燃料燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重。煙黑是化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物之一，是沒有實(shí)現(xiàn)的燃料化學(xué)能；煙黑顆粒隨燃燒排氣進(jìn)入大氣環(huán)境，從而造成環(huán)境污染。煙黑顆粒表面吸附有多環(huán)芳烴PAH，具有誘變性與致癌性，從而對人體健康造成不利影響；光化煙霧、酸雨及消光效應(yīng)也是煙黑對環(huán)境的不利影響。在燃?xì)馔钙饺紵抑?，煙黑的?qiáng)吸收性對燃燒室壁面輻射傳熱，需增大額外的冷卻空氣量；煙黑顆粒可直接對渦輪葉片造成沖蝕，或沉

2、積在葉片引起腐蝕。在火災(zāi)中，煙黑的連續(xù)輻射是火災(zāi)生長與蔓延的主要原因，是火災(zāi)救險、逃生的主要障礙。而在鍋爐中，煙黑輻射是主要的傳熱方式，這里煙黑既是重要的，又是必須的，更是無法避免的。因此問題的關(guān)鍵在于掌握煙黑生長的物理化學(xué)機(jī)理，有效控制煙黑生成、表面生長及表面氧化過程。 由于燃燒現(xiàn)象是受多種物理和化學(xué)因素控制的復(fù)雜過程，因此從發(fā)展數(shù)值燃燒科學(xué)的角度，深入研究火焰中煙黑生長機(jī)理，尋求一種數(shù)值模擬煙黑生長、火焰輻射與污染排放的實(shí)

3、用方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價值。 本文首先詳細(xì)分析了國內(nèi)外有關(guān)煙黑生長與氧化研究的現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了煙黑模型研究的進(jìn)展。煙黑測量是煙黑機(jī)理研究與煙黑生長過程控制與可視化的關(guān)鍵，本文詳細(xì)介紹了國內(nèi)外常用的煙黑測量方法及其研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了直接取樣技術(shù)和發(fā)射CT技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用。燃燒測量科學(xué)中，燃燒火焰圖像處理及可視化是一個重點(diǎn)，本文詳細(xì)分析了國內(nèi)外燃燒火焰圖像處理可視化以及輻射傳遞逆問題求解方面的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。論文還介

4、紹了化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)及其應(yīng)用方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展。 本文基于詳細(xì)的基元反應(yīng)模型和簡單雙方程煙黑半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停脧?fù)雜熱特性及輸運(yùn)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對軸對稱、層流、同向流擴(kuò)散乙烯－空氣火焰，用簡單雙方程煙黑模型與詳細(xì)氣相化學(xué)反應(yīng)耦合模擬煙黑的生成、生長與氧化過程。火焰中CO，CO2，H2O以及煙黑的輻射熱傳遞用離散坐標(biāo)法計算，它們的輻射特性計算采用統(tǒng)計窄帶相關(guān)-k基帶模型(SNBCK)。完成完全橢圓型控制方程的求解，給出了合理的火焰

5、溫度與煙黑容積份額分布計算結(jié)果。并與發(fā)射CT法的測量結(jié)果比較，取得比較滿意的結(jié)果。 針對非均勻吸收、發(fā)射、無散射軸對稱含煙黑擴(kuò)散火焰對象，常規(guī)雙色法不再適用，本文基于煙黑輻射特性，提出并模擬研究了同時重建火焰溫度與煙黑容積份額的發(fā)射CT法，模擬結(jié)果顯示發(fā)射CT法適用于重建單峰或峰谷差較小的雙峰溫度與煙黑容積份額分布。本文所完成的是火焰溫度場與煙黑容積份額分布的同時輻射成像重建，這是本文的一個重要創(chuàng)新。 利用發(fā)射CT法

6、對非冒煙蠟燭火焰與冒煙煤油火焰的溫度與煙黑容積份額進(jìn)行測量，可以準(zhǔn)確得到非冒煙與冒煙火焰擴(kuò)散火焰的分布特征。進(jìn)一步將發(fā)射CT法應(yīng)用于流量可控的乙烯/空氣擴(kuò)散火焰研究，從火焰溫度與煙黑容積份額分布可以看到，溫度達(dá)到最大值的徑向位置比煙黑容積份額達(dá)到最大值的徑向位置稍大，從而可以確定擴(kuò)散火焰中煙黑顆粒形成區(qū)發(fā)生在火焰反應(yīng)區(qū)的富燃側(cè)。當(dāng)燃料流量增大，煙黑濃度增大，輻射損失增大，反過來影響火焰溫度，使火焰溫度水平更低。火焰溫度反過來影響煙黑的氧

7、化速率，使火焰中煙黑濃度增加。這與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是一致的。通過與模擬計算和熱電偶的測量比較，發(fā)射CT法不但可以定性還可以定量給出溫度分布與煙黑容積份額分布，而且比熱電偶法測量煙黑在火焰上部的氧化區(qū)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。 在燃燒傳熱數(shù)值計算中，通常假定燃燒釋放的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為燃燒介質(zhì)的內(nèi)能，介質(zhì)溫度升高，熱輻射增強(qiáng)，但這與實(shí)際情況不符。事實(shí)上，燃燒反應(yīng)釋放的總能量可分成二個部分，一部分為燃燒產(chǎn)物吸收成為內(nèi)能；另一部分則作為輻射能直

8、接對外發(fā)射。因此本文在輻射傳遞方程與能量守恒方程中引入了燃燒反應(yīng)放熱的自吸收份額ψ，針對一個簡單二維發(fā)射吸收的矩形系統(tǒng)，研究了燃燒反應(yīng)中考慮化學(xué)發(fā)光輻射對整個燃燒系統(tǒng)能量平衡的影響。從總能量平衡角度看，化學(xué)發(fā)光并不影響壁面熱流分布以及非反應(yīng)區(qū)的溫度分布。而直接輻射能份額對反應(yīng)區(qū)溫度的影響十分明顯，自吸收份額ψ越小，直接輻射份額越大，反應(yīng)區(qū)溫度越低。因此基于熱輻射成像的測量方法需要作相應(yīng)的修正，而首先要解決的問題就是通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)來確定自吸