本文關(guān)鍵詞：燃燒過程中碳煙微粒三維形貌及力學(xué)特性的研究

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【摘要】：由于碳煙微粒的形成過程包含一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程,且這些變化發(fā)生時(shí)間極短,因此,其生成演化機(jī)理迄今尚未完全清楚。本文通過柴油機(jī)全氣缸取樣系統(tǒng)和熱泳取樣系統(tǒng)獲取了柴油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰燃燒過程中的碳煙微粒,并使用原子力顯微鏡(Atomic force microscope,AFM)研究了這些微粒的形貌及力學(xué)特性在燃燒過程中演變規(guī)律,研究成果有助于深入理解碳煙微粒生成演化機(jī)制,從而為降低碳煙微粒的排放提供了理論指導(dǎo)。柴油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰三種燃燒方式下生成的微粒體積當(dāng)量直徑(Equivalent diameter,ED)分布的峰值位于2.5-4.5 nm;伴隨著燃燒過程的進(jìn)行,單個(gè)碳煙微粒的平均體積當(dāng)量直徑(Averaged equivalent diameter,AED)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰生成的微粒球度比(Sphericity ratio,SR)隨ED的增加呈逐漸增加的趨勢(shì),表明這兩種燃燒方式下的微粒碳化程度與粒徑相關(guān)。相比之下,柴油機(jī)缸內(nèi)微粒未發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律,這可能是由缸內(nèi)燃燒不均勻?qū)е虏煌俺墒於取碧紵熚⒘：臀慈既剂系墓泊嫠鸬�。由于AFM的使用將微粒的粒徑檢測(cè)限拓展到了1nm,從而發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰三種燃燒過程中一直存在納米粒子,這些納米粒子粒徑小于7 nm、球度比低于0.02。燃燒初期微粒的三維形貌圖與對(duì)應(yīng)的振幅圖和相圖差異明顯,隨著燃燒過程的進(jìn)行,這種差異逐漸減小。甲烷預(yù)混火焰早期形成的微粒主要是單微粒,當(dāng)HAB=8 mm時(shí)才出現(xiàn)聚集態(tài)的微粒,這說明碳煙微粒的團(tuán)聚可能發(fā)生在碳化完成之后,符合Lahaye等人提出的演化機(jī)制;柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰在燃燒初期出現(xiàn)了團(tuán)聚態(tài)的微粒,說明微粒在未完全碳化之前可能已發(fā)生了團(tuán)聚,這與Reilly提出的碳煙微粒演化機(jī)制相符。柴油機(jī)缸內(nèi)微粒具有三種不同特征的力曲線,分別對(duì)應(yīng)于碳化碳煙微粒,初生碳煙微粒和未燃液體燃料;而甲烷預(yù)混火焰和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒只有兩種形式的力曲線,分別與碳化碳煙微粒、初生碳煙微粒對(duì)應(yīng)。由于初生態(tài)碳煙微粒在力測(cè)量過程中發(fā)生了塑性形變,所以僅針對(duì)具有石墨片層結(jié)構(gòu)的碳化碳煙微粒進(jìn)行力學(xué)分析。柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒平均吸附力(Averaged attractive force,AF_(at))隨燃燒過程的進(jìn)行逐漸降低,而甲烷預(yù)混火焰的碳煙微粒AF_(at)呈逐漸增加的趨勢(shì)。對(duì)于柴油機(jī)和甲烷擴(kuò)散火焰微粒來說,計(jì)算的范德華力(Van der Waals force,Fvdl)與AF_(at)比值在60%以上,而甲烷預(yù)混火焰的碳煙微粒Fvdl與AF_(at)達(dá)到了75%,表明范德華力在吸附力中占主導(dǎo)地位。三種燃燒方式生成的碳煙微粒平均粘附力(Averaged adhesive force,AFad)都隨燃燒過程的進(jìn)行呈逐漸增加的趨勢(shì),柴油機(jī)碳煙微粒的增加趨勢(shì)相對(duì)于甲烷預(yù)混火焰和甲烷擴(kuò)散火焰較平緩。甲烷預(yù)混火焰的平均粘附能(Averaged adhesion energy,AWad)較柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒AWad略低。碳煙微粒的AWad較其平均熱動(dòng)能高3-4個(gè)數(shù)量級(jí),說明當(dāng)碳煙微粒碰撞后發(fā)生團(tuán)聚的可能性極高。盡管碳煙微粒的吸附力、粘附力和粘附能是通過測(cè)量探針針尖與碳煙微粒之間的相互作用來獲得的,但是由于在研究中使用的是同一個(gè)原子力探針,研究結(jié)果能夠定性的表征碳煙微粒的吸附力、粘附力和粘附能隨燃燒過程進(jìn)行的演變規(guī)律。三種燃燒特性的碳煙微粒平均楊氏模量都遠(yuǎn)低于石墨烯的楊氏模量,且與微晶層間距呈負(fù)相關(guān)性,這表明碳煙微粒的楊氏模量可能是由其內(nèi)部石墨片層之間的分子鍵能決定的。
【關(guān)鍵詞】：柴油機(jī) 預(yù)混火焰 擴(kuò)散火焰 碳煙微粒 原子力顯微鏡 三維形貌 力學(xué)特性
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK421.2
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-15
• 字母注釋表15-18
• 第一章 緒論18-30
• 1.1 引言18-19
• 1.2 文獻(xiàn)綜述19-27
• 1.3 碳煙微粒的檢測(cè)技術(shù)27-28
• 1.4 本文研究意義及內(nèi)容28-30
• 第二章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法30-45
• 2.1 微粒全氣缸取樣平臺(tái)30-34
• 2.2 實(shí)驗(yàn)室火焰取樣34-35
• 2.3 形貌研究35-39
• 2.4 力曲線39-44
• 2.5 試驗(yàn)誤差44
• 2.6 本章小結(jié)44-45
• 第三章 柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙微粒形貌及力學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律45-65
• 3.1 三維形貌45-56
• 3.2 力學(xué)分析56-63
• 3.3 本章總結(jié)63-65
• 第四章 甲烷預(yù)混火焰碳煙微粒形貌及力學(xué)特性演變規(guī)律65-86
• 4.1 形貌研究65-78
• 4.2 力學(xué)分析78-84
• 4.3 本章小結(jié)84-86
• 第五章 甲烷擴(kuò)散火焰碳煙微粒形貌及力學(xué)特性演變研究86-106
• 5.1 形貌分析86-97
• 5.2 力學(xué)分析97-104
• 5.3 本章小結(jié)104-106
• 第六章 燃燒特性對(duì)碳煙微粒形貌與力學(xué)性質(zhì)的影響106-114
• 6.1 形貌對(duì)比106-110
• 6.2 力學(xué)性質(zhì)對(duì)比110-112
• 6.3 本章小結(jié)112-114
• 第七章 全文工作總結(jié)與展望114-117
• 7.1 全文總結(jié)114-115
• 7.2 展望115
• 7.3 創(chuàng)新點(diǎn)115-117
• 參考文獻(xiàn)117-129
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明129-130
• 致謝130-131

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