汽油替代燃料层流扩散火焰中PAH和碳烟生成特性研究

Emissions of particulates from combustion systems are one of themajor contributors to haze in China. How to more efficiently utilize fossil fuels and reduce the formation of soot has become a major concern. Using laminar co-flow diffusion flame as the model problem, the proposed project intends to deploy advanced optical diagnostic techniques of PLII and PLIF, theoretical analysis, and detailed numerical simulation to (a) systematically investigate the formation characteristics of PAH(polycyclic aromatic hydrocarbons) andsoot in diffusion flames of liquid fuels relevant to gasoline surrogate, (b) establish the most adequate flame conditions for validation of a gasoline surrogate fuel reaction mechanism in terms of soot formation and document the corresponding soot volume fraction distribution, (c) develop a more accurate overall flame model based on the detailed reaction mechanism for gasoline surrogate, a soot formation model consisting of a PAH inception step and subsequent surface growth and oxidation via the HACA mechanism as well asby PAH condensation, (d) gain insights into the nonlinear interactions between the three components of gasoline surrogate, and (e) revel the mechanisms responsible for the different soot volume fraction distributions in gaseous and liquid hydrocarbon diffusion flames. The proposed project is of fundamental and practical importance and it is anticipated that the outcomes of this project form a solid ground for the further development of combustion technology to reduce soot emissions, make novel contributions to advance the state-of-the-art soot formation model, and establish systematic and high-fidelity experimental data for validation of a gasoline surrogate fuel reaction mechanism.

燃烧系统颗粒物排放是造成我国雾霾的重要因素之一。高效利用化石燃料、降低由燃烧产生的碳烟颗粒是目前人们所关注的热点。本项目以汽油替代燃料层流扩散火焰为研究对象，利用PLIF、PLII等先进的激光测试系统、以理论分析和数值模拟相结合的研究手段，系统地研究汽油替代燃料层流扩散燃烧火焰中PAH（多环芳香烃）、碳烟生成特性；建立评估汽油替代燃料在碳烟生成方面的层流火焰条件及实验结果；基于汽油替代燃料的详细化学反应动力学、碳烟生成动力学的PAH成核及随后HACA表面增长与氧化和PAH表面凝结机理，建立更为准确的数值模拟模型；揭示替代燃料组分间对PAH、碳烟生成的化学相互作用；阐明碳烟在液气燃料火焰中不同分布的机理。本项目的研究成果可进一步推动燃烧技术发展，为进一步完善碳烟生成理论做出创新性贡献，为评估汽油替代燃料化学反应动力学在预测碳烟生成方面建立系统和高精度的实验数据，具有重要的学术意义和实用价值。

燃烧系统颗粒物排放是造成我国雾霾的重要因素之一。高效利用化石燃料、降低由燃烧产生的碳烟颗粒是目前人们所关注的热点。本项目以汽油替代燃料层流扩散火焰为研究对象，利用PLIF、PLII等先进的激光测试系统、以理论分析和数值模拟相结合的研究手段，系统地研究汽油替代燃料层流扩散燃烧火焰中多环芳香烃、碳烟生成特性。通过项目实施，揭示了掺氢、压力对正庚烷燃烧特性的影响机制，提出了压力、初始温度、掺氢等因素对正庚烷火焰传播速度影响关联式；发展了高压气体非灰辐射模型，并用于二维火焰燃烧模拟；搭建了气体、液体碳氢燃烧燃料燃烧平台，建立了评估汽油替代燃料在碳烟生成方面的层流火焰条件及实验结果；揭示了汽油替代燃料组分间对碳烟生成的化学相互作用；阐明了含氧燃料对汽油替代燃料燃烧过程碳烟生成的影响机制；发现了碳烟形貌新结构，提出了一个特殊结构形成的原因-自由基侵蚀沉积模型。明晰了碳烟在液体燃料扩散火焰和气体燃料扩散火焰中的共性与差异；利用火焰法调控制备了碳纳米管，揭示了一维碳纳米材料在火焰中的生长规律和生长机制，探讨了燃料结构和取样基板对合成碳纳米管的影响，首次提出了递推生长模式，并应用于钠离子电池负极材料，性能良好。本项目的研究成果可进一步推动燃烧技术发展，为进一步完善碳烟生成理论做出创新性贡献，为评估汽油替代燃料化学反应动力学在预测碳烟生成方面建立系统和高精度的实验数据，具有重要的学术意义和实用价值。