湍流燃烧中碳黑生成的理论模型研究与应用

各种气体、液体和固体燃料燃烧排放的碳黑颗粒对大气环境和人体健康构成了极大的危害。合理地预测碳黑的生成与排放，对于发展抑制燃烧中碳黑生成的技术，实现高效低污染清洁燃烧具有重要的意义。在湍流燃烧中，碳黑的生成是湍流与复杂化学反应相互作用的结果。湍流脉动不仅影响到燃料燃烧的均相反应，包括碳黑前驱物的生成反应，而且影响到碳黑生成涉及的碳黑成核和颗粒的长大与氧化反应。本项目拟建立考虑湍流-碳黑生长与氧化反应相互作用的温度脉动简化概率密度函数（PDF）模型。这一模型将与湍流-复杂化学反应相互作用的湍流燃烧与碳黑前驱物生成理论模型一起，构成完整的湍流-碳黑生成反应相互作用的理论模型。本项目还将发展用于上述理论模型验证的湍流燃烧直接模拟方法。本项目建立的湍流-碳黑生成反应相互作用的理论模型，将不仅适用于湍流扩散火焰和湍流预混火焰中碳黑生成的模拟，也将适用于湍流多相燃烧中碳黑生成的模拟和预报。

碳黑是碳氢燃料高温热解和不完全燃烧生成的一种污染物。为合理准确地预测实际湍流燃烧过程中碳黑的生成与排放，本项目进行了气相温度脉动对碳黑成核、长大与氧化反应影响的理论分析，揭示了湍流对碳黑生长与氧化反应过程的作用。据此提出了湍流-碳黑生长与氧化反应相互作用的温度脉动简化概率密度函数（PDF）模型。基于甲烷燃烧与碳黑前驱物生成的简化的4步反应机理，建立了考虑湍流-复杂化学反应相互作用的湍流燃烧与碳黑前驱物生成的温度脉动简化PDF模型.。将该模型与湍流-碳黑生长与氧化反应相互作用的温度脉动简化PDF结合，构建了完整的湍流-碳黑生成反应相互作用的理论模型。应用湍流-碳黑生成反应相互作用的温度脉动简化PDF模型，分别对天然气旋流燃烧室内的湍流燃烧与碳黑前驱物生成和甲烷射流燃烧室内的湍流燃烧与碳黑生成进行了数值模拟，得到了与实验相符合的结果。本项目还发展了可压缩湍流反应流的直接数值模拟方法，研究了入口扰动数据周期对湍流燃烧直接模拟结果的影响。分别对湍流平面预混火焰和湍流平面射流预混火焰进行了直接模拟研究，获得了湍流火焰的瞬态特性。利用湍流燃烧直接模拟得到的详细数据，对湍流燃烧理论模型进行了检验，表明了温度脉动简化PDF模型的合理性。本项目建立的湍流-碳黑生成反应相互作用的温度脉动简化PDF模型，将可用于各类工程燃烧反应装置内湍流燃烧与碳黑生成的定量计算与预报中。