封闭空间内湍流燃烧过程中碳烟颗粒破碎机理的研究

The formation and oxidation of soot particles during the turbulent combustion in engines are one of the focuses in the combustion research field. The relevant researches have great theoretical significance for the reduction of soot particle emissions. The present proposal will explore the fragmentation mechanism of soot particles when the formation and oxidation of soot particles occur during the turbulent combustion in the enclosed space of engines. The methodology used in this work is the combination of chemical analysis, theoretical calculation and engine experiment. Based on the characteristics of thermo-induced and oxidation-induced fragmentation obtained under the uniform reaction condition, the fragmentation mechanism of soot particles is suggested. The analysis of the obtained soot samples and numerical simulation are performed under different diesel combustion conditions so as to discover the relationships among the engine operating mode, turbulence characteristics and soot particle fragmentation. According to the obtained results, the factors and rules influencing soot particle fragmentation are proposed in the situation of diesel combustion process. Moreover, the theoretical model about soot particle fragmentation during turbulent combustion is proposed through integrating the high precision numerical simulation with the experimental data. This model is also employed to predict the soot particle emissions. The achievements in this project will help to develop the turbulent combustion theory of engines and to provide the important rules for the reduction of soot particle emissions.

发动机湍流燃烧过程中碳烟颗粒的生成及氧化是燃烧学界重点关注的问题之一，而相关研究工作对于减少碳烟颗粒物的排放具有重要的理论意义。本项目针对发动机受限空间内湍流燃烧中碳烟颗粒，采用化学分析测试、理论计算和发动机实验相结合的技术路线开展碳烟颗粒生成及氧化过程中破碎问题的研究。拟在均匀反应条件下探求碳烟颗粒热力破碎及氧化反应破碎特征，构建碳烟颗粒破碎机理；在不同柴油机燃烧边界条件下，通过取样分析和数值模拟，研究发动机工况-湍流结构参数-颗粒破碎特性参数之间的内在联系，得到柴油机燃烧过程中颗粒破碎的影响因素和影响规律；通过高精度数值模拟和实验验证，建立湍流燃烧过程中碳烟颗粒破碎理论模型，并应用于柴油机碳烟颗粒排放预测。项目研究成果将丰富和发展发动机湍流燃烧理论，并为有效控制碳烟颗粒的排放提供重要的理论依据。

发动机湍流燃烧过程中碳烟颗粒的破碎是燃烧学界重点关注的问题之一，而相关研究工作对于减少碳烟颗粒物的排放具有重要的理论意义。本项目采用化学分析、基础火焰研究平台、柴油机全气缸取样系统及数值模拟等研究方法和设备，开展了柴油机封闭空间湍流燃烧中碳烟颗粒的破碎机制的研究，项目主要取得的主要研究成果如下：. 在等温氧化及稀燃火焰条件下，碳烟颗粒氧化率为40~50%时，碳烟团聚体基本粒子间会发生颈部断裂，破碎成较小的碳烟团聚体颗粒。当达到较高的氧化率时（70~80%），氧分子可扩散进入碳烟基本粒子内部，并发生内部氧化反应，出现了明显空洞结构；随后，碳烟颗粒结构发生坍塌、破碎，生成大量的碳质碎片，导致碳烟颗粒粒数浓度增加。同时，微晶长度变短且无序度增加，碳烟氧化活性升高。. 碳烟颗粒发生内部氧化先决条件是O2能够扩散进入碳烟内部。本项目采用广度优先搜索算法开发了O2扩散进入碳烟内部可能性的评价方法。此外，纳观结构和氧化活性是影响碳烟颗粒破碎的重要影响因素。在研究过程中，发现碳烟微粒的电导率、功函数与其结构和氧化活性具有很好的相关性，因此可以使用碳烟微粒电导率和功函数表征碳烟的纳观结构和氧化活性。. 针对柴油机封闭空间湍流燃烧过程中碳烟氧化诱导破碎，采用了CFD耦合化学反应动力学模型的计算方法，获得了缸内湍流场结构、热力学变量场和氧化剂成分（O2和OH自由基）的浓度分布，同时结合缸内碳烟的纳观结构参数和微观尺寸参数，对碳烟发生外部氧化反应的时间尺度和氧化剂的扩散时间尺度进行计算和对比分析，并量化了碳烟团聚体的破碎速率。柴油机燃烧过程中，碳烟颗粒也会发生由外部氧化和内部氧化两种氧化模式诱导的氧化破碎现象。后喷强化氧化可提高主喷碳烟内部氧化反应的可能性，其结果会导致碳烟颗粒的结构坍塌和破碎，进而引起颗粒物数浓度的增加。此外，增加湍流强度（如提高柴油喷射压力、加入后喷）可促进碳烟团聚体的物理破碎，并形成较小的团聚体碳烟颗粒，增大了颗粒物的数浓度。