【摘要】：碳黑顆粒(soot)對環(huán)境、人體健康和航空發(fā)動機安全運行等都有重要影響,因此準確地模擬碳黑生成,并調(diào)控減少碳黑生成有著重要意義。通常碳黑的生成對溫度非常敏感,輻射換熱又是影響燃燒火焰溫度分布的重要因素之一,因此本文將在綜述國內(nèi)外碳黑顆粒以及湍流輻射交互作用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,就湍流輻射交互作用(TRI)對碳黑生成的影響以及碳黑顆粒的減排進行研究。本文首先在二維湍流乙烯擴散火焰中引入考慮TRI和WSGG2013非灰輻射特性模型的高精度方法來預(yù)測碳黑生成和溫度分布,并與常規(guī)方法下的結(jié)果進行對比,結(jié)果表明考慮TRI和WSGG非灰輻射特性使得預(yù)測的碳黑濃度和溫度更接近實驗值,結(jié)合碳黑成核速率常數(shù)的修正后可以準確地預(yù)測碳黑和溫度的分布。然后在該模型基礎(chǔ)上研究了碳黑調(diào)控及減排,分析了富氧燃燒時不同燃料稀釋和氧化劑濃度下,湍流輻射交互作用對碳黑濃度和溫度的影響。結(jié)果表明:隨著燃料的稀釋,火焰在乙烯體積濃度約50%以下時碳黑體積分數(shù)已低于1e-9的可視生成極限,而由不考慮TRI所引起的溫度相對誤差先增大后減小;隨著伴流氧濃度的增大,碳黑分布和濃度隨之減小,氧氣體積分數(shù)增加到80%時碳黑生成區(qū)域已很小,但體積分數(shù)依然有2.78e-8;當氧氣濃度低于60%時,不考慮TRI將會使得火焰溫度偏高,而氧氣濃度大于等于60%時不考慮TRI將會使得溫度偏低。最后在DLR雙徑向旋流器三維燃燒室中模擬碳黑的生成并與實驗值比較,通過改變內(nèi)外旋流占比和二次流流量等方式來調(diào)控減少旋流燃燒室中碳黑顆粒,結(jié)果表明碳黑濃度和分布區(qū)域隨著中心旋流占比的減少或者二次流流量的增大呈現(xiàn)減少趨勢。
【圖文】：

南京航空航天大學碩士學位論文4）氧化：碳黑顆粒的氧化過程為碳黑與氧化性氣體發(fā)生化學反應(yīng)減小顆粒質(zhì)量的過程主要的氧化物質(zhì)為 O2或者 OH，在貧燃料區(qū)域 O2的作用更強，在富燃區(qū)域 OH 的作[22]。氧化速率也與碳黑顆粒的表面積和氧化劑濃度有關(guān)。5）聚集：碳黑顆粒的聚集表示顆粒碰撞吸附在一起的過程，與成核，表面生長，氧化程決定碳黑顆粒的質(zhì)量大小，不同的是，聚集是一個物理過程而不涉及化學反應(yīng)，因控制著顆粒的尺寸和數(shù)密度，隨著聚集的進行碳黑顆粒數(shù)減少，顆粒增大。綜上所述碳黑顆粒生成的主要過程就是顆粒成核，表面增長與顆粒氧化以及聚集的一程。

南京航空航天大學碩士學位論文4）氧化：碳黑顆粒的氧化過程為碳黑與氧化性氣體發(fā)生化學反應(yīng)減小顆粒質(zhì)量的過程主要的氧化物質(zhì)為 O2或者 OH，在貧燃料區(qū)域 O2的作用更強，在富燃區(qū)域 OH 的作[22]。氧化速率也與碳黑顆粒的表面積和氧化劑濃度有關(guān)。5）聚集：碳黑顆粒的聚集表示顆粒碰撞吸附在一起的過程，與成核，表面生長，氧化程決定碳黑顆粒的質(zhì)量大小，，不同的是，聚集是一個物理過程而不涉及化學反應(yīng)，因控制著顆粒的尺寸和數(shù)密度，隨著聚集的進行碳黑顆粒數(shù)減少，顆粒增大。綜上所述碳黑顆粒生成的主要過程就是顆粒成核，表面增長與顆粒氧化以及聚集的一程。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V231.2

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本文編號：2682287