軸對(duì)稱(chēng)層流擴(kuò)散火焰溫度和煙黑體積濃度檢測(cè)方法研究.pdf

1、煙黑顆粒是化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物之一，是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的燃料化學(xué)能,它的表面吸附有多環(huán)芳烴PAH，具有誘變性與致癌性，因此控制煙黑顆粒的排放不僅關(guān)系到燃燒設(shè)備中碳?xì)淙剂系挠行Ю?，還關(guān)系到環(huán)境的保護(hù)與人類(lèi)的健康。要對(duì)煙黑顆粒的排放進(jìn)行有效的控制，首先要深入研究生成煙黑的各種燃燒現(xiàn)象和燃燒過(guò)程，在這方面起決定作用的是各種各樣迅速發(fā)展的燃燒診斷技術(shù)，因此，本文選擇從燃燒診斷方法入手，以實(shí)驗(yàn)室火焰為研究對(duì)象，研究各種新型的測(cè)量火焰溫度和煙黑顆粒體

2、積濃度的方法，包括對(duì)已有方法的改進(jìn)以及提出原創(chuàng)性的新方法，為日后開(kāi)展煙黑顆粒的控制研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 熱電偶顆粒密度法(TPD)是本文研究的第一種方法，它是近幾年提出來(lái)的一種測(cè)量火焰溫度和煙黑體積濃度的新方法，主要通過(guò)將細(xì)絲熱電偶快速插入到火焰中并停留一段時(shí)間，待煙黑顆粒在熱電偶節(jié)點(diǎn)表面沉積并記錄下這段時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)溫度的響應(yīng)值，然后通過(guò)一組公式的轉(zhuǎn)換從記錄的溫度響應(yīng)值中計(jì)算出火焰溫度和煙黑體積濃度，因此它屬于一種接觸式測(cè)量

3、方法，在計(jì)算過(guò)程中需要用到節(jié)點(diǎn)暫態(tài)能量平衡方程和煙黑顆粒的熱泳沉積率方程。本文采用這種方法對(duì)一個(gè)層流同流非預(yù)混實(shí)驗(yàn)室火焰進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)證了該方法測(cè)量火焰溫度與煙黑體積濃度的可行性。
　　 由于這種方法在建立節(jié)點(diǎn)暫態(tài)能量平衡方程時(shí)，忽略了一些對(duì)節(jié)點(diǎn)能量平衡會(huì)產(chǎn)生重大影響的參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)與熱電偶偶絲的導(dǎo)熱，煙黑顆粒投射到節(jié)點(diǎn)表面的輻射和節(jié)點(diǎn)因溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)生熱等，同時(shí)在利用煙黑顆粒的熱泳沉積率方程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用了一些煙黑顆粒特性方

4、面的不確定性參數(shù)，如煙黑顆粒團(tuán)的尺寸，密度等，在本文中采用數(shù)值計(jì)算的方法，利用節(jié)點(diǎn)暫態(tài)能量平衡方程和煙黑顆粒的熱泳沉積率方程模擬節(jié)點(diǎn)插入火焰后的溫度響應(yīng)過(guò)程，分析這些被忽略的參數(shù)和不確定性參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度輸出響應(yīng)產(chǎn)生的影響，模擬結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)與熱電偶偶絲的導(dǎo)熱和煙黑顆粒投射到節(jié)點(diǎn)表面的輻射都是節(jié)點(diǎn)能量的重要來(lái)源，在節(jié)點(diǎn)暫態(tài)能量平衡方程中忽略它們會(huì)使節(jié)點(diǎn)溫度響應(yīng)值嚴(yán)重偏離火焰真實(shí)溫度值，從而給火焰溫度計(jì)算帶來(lái)較大誤差，而煙黑顆粒團(tuán)密度的不同取

5、值也會(huì)使節(jié)點(diǎn)溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，而節(jié)點(diǎn)溫度響應(yīng)是計(jì)算煙黑體積濃度的直接輸入數(shù)據(jù)，因此不準(zhǔn)確的煙黑顆粒團(tuán)密度值也會(huì)給煙黑體積濃度計(jì)算帶來(lái)較大誤差。
　　 根據(jù)模擬研究的結(jié)果，本文也對(duì)TPD方法進(jìn)行了初步的改進(jìn)分析研究，即將煙黑顆粒投射到節(jié)點(diǎn)表面的輻射熱量和節(jié)點(diǎn)因溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)熱這些在傳統(tǒng)TPD方法中被忽略的參數(shù)加入到節(jié)點(diǎn)能量平衡方程里面去，并從新的節(jié)點(diǎn)能量平衡方程中推導(dǎo)出煙黑顆粒沉積率公式而發(fā)展出了一種新的計(jì)算煙黑沉積率的方法

6、，這種方法不需要采用熱泳沉積假定，相對(duì)于傳統(tǒng)TPD方法更科學(xué)，而且通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)TPD方法中的熱泳沉積假定在節(jié)點(diǎn)溫度響應(yīng)的“變發(fā)射率階段”并不成立，但這種方法目前還不能得到煙黑體積濃度值，因此還需要進(jìn)一步的發(fā)展與完善。
　　 發(fā)射光譜法是本文研究的第二種方法，這種方法通過(guò)光譜檢測(cè)儀器測(cè)量特定波段內(nèi)的火焰發(fā)射光譜輻射強(qiáng)度值，然后通過(guò)各種重建算法從測(cè)量值中計(jì)算出火焰溫度和煙黑體積值。本文針對(duì)前人在研究中采用的各種重建算法在面對(duì)較復(fù)

7、雜火焰對(duì)象時(shí)處理效果不佳的問(wèn)題，提出了一種基于正則化方法為的新算法，并通過(guò)數(shù)值模擬研究驗(yàn)證了這種方法處理軸對(duì)稱(chēng)層流擴(kuò)散火焰的有效性，模擬結(jié)果顯示與Abel 逆變換這種傳統(tǒng)重建算法相比，新算法的重建精度明顯提高。本文同時(shí)也對(duì)前人研究中經(jīng)常采用“光學(xué)薄”假定進(jìn)行了分析，通過(guò)提出的一種迭代方法重建了非“光學(xué)薄”假定火焰的溫度和煙黑體積濃度，結(jié)果顯示在火焰中煙黑體積濃度不大的情況下（小于10ppm），這種假定對(duì)火焰溫度和煙黑體積濃度的重建精度影