扩散火焰中烟黑粒子动力学特性研究

Soot is a kind of aerosol pollutant, which usually is produced from incomplete combustion. Soot formation is an active field in many areas of combustion research. The reason is not only that it remains a challenge for fundamental research; the combustion-generated soot particles also have adverse health and environmental effects. At the same time, soot formation is directly related to flame radiation and heat transfer properties, combustion efficiency and particulate emission from combustion systems. Therefore, it is crucial to understand the physical and chemical mechanisms about soot formation, and to make it possible controlling the processes of soot nucleation, surface growth, and oxidation. In the present study, the moment model describing the evolution of soot in the diffusion flame will be developed; and then the spatial distribution and temporal evolution of soot and its optical property will be got. The main research topics will be concluded as follows: (1) the research on the particle collision frequency and collision efficiency in the multi-scale poly-disperse particle systems, and the corresponding closure particle moments models based on the Taylor series expansion method; (2) the reconstruction of the particle size distribution and optical property based on the particle moments; and so on. Through these studies above, the dynamic and kinetic characteristic parameter in the synthesis of soot in the flame will be got, which can be used to the detection, control, and prediction of air pollution in the convection, diffusion and deposition processes.

烟黑颗粒物是化石燃料燃烧产生的污染物之一，是没有实现的燃料化学能；烟黑颗粒物随燃烧排气进入大气环境，从而造成环境污染，影响人体健康。掌握烟黑生长的物理化学机理，有效控制烟黑生成、生长及表面氧化过程，实现纳米颗粒动力学特征参数在火焰合成中的有效和准确预测，具有重要的现实意义和科学价值。本项目通过构建具有物理化学变化过程的烟黑粒子两相流的矩方法模型，获取扩散火焰中烟黑粒子及其光学参数在空间上的分布和随时间的演化规律。主要研究内容包括：（1）多分散多尺度颗粒系统中，颗粒碰撞频率和碰撞效率表达式的研究，以及对应的粒子矩方程封闭模型的建立；（2）建立基于粒子矩的粒子尺度谱分布和光学参数的反演重建模型。通过以上研究，实现粒子动力学参数在烟黑颗粒合成中的有效预测、控制，以及大气颗粒污染物指数的准确预报和微、纳米颗粒在大气和呼吸系统中扩散沉积的有效预测等。

烟黑颗粒物是化石燃料燃烧产生的污染物之一，是没有实现的燃料化学能；烟黑颗粒物随燃烧排气进入大气环境，从而造成环境污染，影响人体健康。掌握烟黑生长的物理化学机理，有效控制烟黑生成、生长及表面氧化过程，实现纳米粒子动力学特征参数在火焰合成中的有效和准确预测，具有重要的现实意义和科学价值。本项目以描述烟黑粒子演化的动力学方程为研究对象，以泰勒级数展开矩方法为研究工具，开展下列研究：建立了跨尺度布朗凝并问题的泰勒级数展开矩方法模型，并分析了其渐进性质；得到了层流剪切凝并问题的泰勒级数展开矩方法模型的解析解和渐近解；分析了布朗凝并问题泰勒级数展开矩方法模型的误差和渐进稳定性；基于完全非弹性碰撞理论和最大熵原理，得到了泰勒级数展开矩方法模型的热力学约束条件；开展了矩方法逆问题的研究，从数值角度得到了粒子尺度分布曲线，这为粒子群的矩量与其它物理参数之间的联系建立了桥梁。通过以上工作，基本建立了泰勒级数展开矩方法求解烟黑粒子动力学方程的理论体系，为其应用奠定了基础：如基于泰勒级数展开矩方法模型的渐近解和粒子浓度在空间上的非均匀分布，通过简单的数学物理模型揭示了扩散火焰中烟黑粒子尺度双峰分布形成和演化规律；通过布朗凝并问题的热力学约束条件，得到了表面张力公式中厄缶常数的统计力学表达式，理论结果与实验数值的一致性也证明了泰勒级数展开矩方法模型模拟烟黑粒子动力学演化过程的正确性和有效性。此外，本项目在实验研究方面也取得了一些进展，基于MATLAB软件，实现了扩散火焰的可视化图像的采集和识别。项目发表论文11篇，授权发明专利1项，这些理论和实验研究成果达到了本项目申请书中所设定的预期目标。