电场控制液滴火焰中碳烟排放的机理研究

Soot is the main pollutants generated in the fuel combustion process. Combustion and Soot emissions is controled by the electric field, but the control mechanism has not yet formed a complete and clear system. Therefore, the study on the mechanism of action have important significance for control Soot emissions within the flame in the electric field conditions. By the analysisa of important flame parameters (flame temperature, residence time, etc.) and soot reaction course, the pathways and mechanisms of the electric field conditions on the Soot is studied, its findings have scientific significance.Measuring a number of important flame parameters (flame temperature, residence time, etc.) by LII LIF and TSPD, analysis of these parameters for the sensitivity of the electric field and the mechanism of the indirect effects of these parameters on Soot formation and emission; And analysis of the electric field on the flame the direct effect because Soot migration and growth process charges by the electric force. The combination of these two effects sought to explore the ways and mechanisms of electric field on the Soot distribution and emission, as well as the electric field influence on mass transfer and heat transfer processes in the flame, and its findings have a certain scientific significance and practical value.

碳烟Soot是燃料燃烧过程中产生的主要污染物质。电场对单液滴燃烧和Soot的排放有一定的控制作用，但其控制机理的研究还未形成完整和清晰的体系。因此，研究电场条件对火焰内Soot的作用机制对于控制Soot的排放具有重要的学术意义。通过利用LII、LIF和TSPD等仪器测量一些重要的火焰参数（火焰温度，滞留时间等），分析这些参数对于电场的敏感度以及这些参数对Soot生成和排放的间接影响机理；同时分析电场对火焰中Soot的直接作用- - 在电场力的作用下其迁移和生长过程发生变化。结合上述两种作用力图探究电场对火焰内Soot的作用途径和机制，以及电场对火焰燃烧时传质和传热过程的影响，其研究结果具有一定的科学意义和实际应用价值。

液体燃料通过雾化喷射进入内燃机的气缸或喷气发动机的透平中燃烧产生热能。近年来能源危机加剧及减排颗粒物排放以保护环境意识提高, 促使研究者们采用新的技术提高化石燃料的燃烧效率, 其中对单个液滴燃烧物理过程的深刻了解是改进喷雾燃烧为特征的内燃机能量利用效率的基本。.碳烟颗粒的形成对液滴燃烧过程有着非常重要的影响，其中颗粒的辐射效应比较显著，碳烟颗粒的形成强烈地影响到火焰中其他气相组分的扩散，尤其是燃料蒸汽与氧化剂的扩散速率，火焰面与液滴表面之间的距离对液滴表面蒸发起到了非常关键的作用，因此开展碳烟颗粒模型的研究变得十分必要及紧迫。.本项目将从碳烟颗粒的成核、长大及团聚等过程出发，建立了一套半经验的碳烟颗粒模型，并通过与现有实验结果的比较，验证了这套碳烟颗粒模型的准确性，并相对准确地预测了火焰温度、碳烟体积分数及碳烟颗粒粒径分布，通过改变环境中的含氧量及温度等初始条件，准确预测了碳烟体积分数的空间分布。.为了更好地提高液滴燃料的燃烧效率，并有效控制碳烟颗粒物的形成，本项目提出了利用外加电场的新技术来实现这一目标，通过施加外加电场，从实验测量的角度描述电场与火焰中自由离子的相互作用，利用外加电场能够有效地改变正癸烷液滴燃烧特性，本项目从火焰形貌、燃烧速率常数以及碳烟颗粒等参数来揭示外加电场对液滴燃烧特性的作用规律，分析表明火焰中除了考虑电场作用下的正离子所产生的“离子风”的作用外，还需要考虑负离子所产生的“离子风”的作用，这样才能合理解释火焰形貌及燃烧速率常数受电场的影响。此外火焰中的碳烟颗粒对液滴燃烧的影响非常显著，电场作用加速碳烟颗粒的氧化过程，碳烟颗粒的减少造成对外辐射换热量的减少，从而影响燃烧速率常数的变化。.最后本项目系统研究比较了不同燃料种类的液滴在电场作用下的燃烧特性，由于不同燃料种类燃烧时火焰中的碳烟颗粒的形成情况都不相同，因此受外加电场的作用也不尽一致，利用丙醇、正癸烷和柴油作为实验液滴燃料，燃烧时火焰形貌、燃烧速率及碳烟颗粒的形成均随着外加电场的作用而呈现出一定的实验规律，其中碳烟颗粒的辐射效应比较显著，对于三种不同种类的燃料液滴，无论电场方向与自然对流方向相同还是相反，随着两极板间电压的增大，LII辐射强度均有减小的趋势，说明碳烟颗粒浓度随着两极板间电压的增大而减少。