脉动燃烧抑制碳黑颗粒生成与排放的机理研究

The formation and emission of soot is an important research topic in the current field of energy and environment. The project intends to adopt the experimental study and numerical simulation method to study the influence mechanisms of pulse combustion on the formation and emission of soot. Through several experimental methods, the influence mechanisms of pulse combustion on the concentration and distribution of soot would be investigated, the effects of pulse combustion on the morphology and nanostructure of soot by TEM and AFM would be studied, and the transfer function of pulsating waves on the formation, surface growth and oxidation reaction of soot by PLIF would be investigated. At the same time, based on the experimental studies, a soot model of fully consider the characteristics of pulse combustion would be developed through the combining the complex chemical reaction mechanism and large eddy simulation with the improvement of traditional sub-grid-scale stress model to effectively capture fast pulse pressure wave, to reveal the internal physical chemistry mechanism of formation and emission of soot in pulse combustion. The research results would help control the emission of soot.

碳黑颗粒的生成与排放是当前能源与环境领域的一个重要研究热点。项目采用实验研究和数值模拟方法深入开展脉动燃烧抑制碳黑颗粒生成与排放的机理研究，着重探索碳黑颗粒在脉动燃烧火焰中的生成与排放的时空特征规律。通过多种实验手段，探索脉动燃烧条件参数对碳黑颗粒浓度和分布的影响规律。结合TEM和AFM等电子显微成像技术，获得碳黑颗粒的形貌结构信息，研究碳黑颗粒的理化特性参数随脉动燃烧过程的演化规律。通过考察脉动燃烧火焰中化学气氛的变化规律，建立脉动波对碳黑颗粒生成、表面生长和氧化的详细反应动力学传递函数。在实验研究的基础上，建立一个考虑脉动波对碳黑颗粒生成、表面生长和氧化反应动力学影响的机理模型，同时发展一个新的能考虑流体微团在快速脉动波作用下的亚格子耗散涡模型，将他们结合到计算流体力学的大涡模拟方法中，进一步揭示脉动燃烧抑制碳黑颗粒生成与排放的内在物理化学机理。研究结果有助于控制碳黑颗粒生成与排放。

脉动燃烧是一种与常规稳态燃烧所不同的具有周期性脉动波的燃烧过程，具有很高的燃烧效率和强度。脉动波在流场中能有效地改善燃烧、强化传热、促进混合，因此脉动燃烧技术受到了国内外学者的关注。脉动燃烧与常规燃烧不同之处在于，它在燃烧过程中燃烧室的温度、压力等一系列参数都是随着时间的变化发生变化的。这种燃烧方式不可避免的会引起一些“副作用”。由于脉动燃烧的高燃烧效率及传热速率会引起燃烧装置发生损坏，同时剧烈燃烧产生的震荡也可能影响燃烧装置的实际使用效果和使用寿命。因此，基于脉动燃烧技术，发展一种既具有经济性又具有可操作性的碳烟抑制手段对于提高能源利用率和降低化石燃料排放具有重要的学术价值，并可以为燃烧领域的污染排放控制方面提供新思路和参考。.本项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法深入研究脉动燃烧抑制碳黑颗粒生成与排放的机理，着重探索碳黑颗粒在脉动燃烧火焰中的生成与排放的时空特征规律，探索脉动燃烧有效降低碳黑颗粒排放的内在物理化学机理，探明其中的强化途径和关键过程参数。结果表明，脉动燃烧能有效抑制燃烧过程中碳黑颗粒的生成与排放。在横向强制声场下，碳烟的抑制效率与驻波场的声参数（频率、幅值、初始相位和波形）息息相关，在所研究的声波频段都有较好的碳烟抑制效果。随着声能的增加，碳烟抑制效率逐渐增加直至碳烟消失不见。而在Rijke型燃烧器内，脉动燃烧只发生于燃烧器的固有共振频段，利用扬声器提供火焰与声波共振的初始扰动诱发可主动控制的脉动燃烧状态，深入探究了火焰相对位置、频率、燃烧器结构、声波波形等因素对碳烟抑制效果的影响。此外项目利用数值计算方法对脉动燃烧机理深入分析，将实验的火焰可视化结果与数值模拟的温度场和各组分的质量分数分布进行比较，并研究了不同的振荡速度和频率下碳烟成核、表面生长和氧化速率的变化。