基于輻射成像的擴散火焰溫度和煙黑濃度分布研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源供應狀況日趨緊張，燃料燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染也日趨嚴重。煙黑是化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物之一，是沒有實現(xiàn)的燃料化學能；煙黑顆粒隨燃燒排氣進入大氣環(huán)境，從而造成環(huán)境污染。煙黑顆粒表面吸附有多環(huán)芳烴PAH，具有誘變性與致癌性，從而對人體健康造成不利影響；光化煙霧、酸雨及消光效應也是煙黑對環(huán)境的不利影響。在燃氣透平燃燒室中，煙黑的強吸收性對燃燒室壁面輻射傳熱，需增大額外的冷卻空氣量；煙黑顆?？芍苯訉u輪葉片造成沖蝕，或沉

2、積在葉片引起腐蝕。在火災中，煙黑的連續(xù)輻射是火災生長與蔓延的主要原因，是火災救險、逃生的主要障礙。而在鍋爐中，煙黑輻射是主要的傳熱方式，這里煙黑既是重要的，又是必須的，更是無法避免的。因此問題的關鍵在于掌握煙黑生長的物理化學機理，有效控制煙黑生成、表面生長及表面氧化過程。 由于燃燒現(xiàn)象是受多種物理和化學因素控制的復雜過程，因此從發(fā)展數(shù)值燃燒科學的角度，深入研究火焰中煙黑生長機理，尋求一種數(shù)值模擬煙黑生長、火焰輻射與污染排放的實

3、用方法，具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。 本文首先詳細分析了國內(nèi)外有關煙黑生長與氧化研究的現(xiàn)狀，重點闡述了煙黑模型研究的進展。煙黑測量是煙黑機理研究與煙黑生長過程控制與可視化的關鍵，本文詳細介紹了國內(nèi)外常用的煙黑測量方法及其研究現(xiàn)狀，重點闡述了直接取樣技術和發(fā)射CT技術的特點及其應用。燃燒測量科學中，燃燒火焰圖像處理及可視化是一個重點，本文詳細分析了國內(nèi)外燃燒火焰圖像處理可視化以及輻射傳遞逆問題求解方面的研究現(xiàn)狀和進展。論文還介

4、紹了化學發(fā)光分析技術及其應用方面的國內(nèi)外研究進展。 本文基于詳細的基元反應模型和簡單雙方程煙黑半經(jīng)驗模型，利用復雜熱特性及輸運特性實驗數(shù)據(jù)，針對軸對稱、層流、同向流擴散乙烯－空氣火焰，用簡單雙方程煙黑模型與詳細氣相化學反應耦合模擬煙黑的生成、生長與氧化過程?；鹧嬷蠧O，CO2，H2O以及煙黑的輻射熱傳遞用離散坐標法計算，它們的輻射特性計算采用統(tǒng)計窄帶相關-k基帶模型(SNBCK)。完成完全橢圓型控制方程的求解，給出了合理的火焰

5、溫度與煙黑容積份額分布計算結(jié)果。并與發(fā)射CT法的測量結(jié)果比較，取得比較滿意的結(jié)果。 針對非均勻吸收、發(fā)射、無散射軸對稱含煙黑擴散火焰對象，常規(guī)雙色法不再適用，本文基于煙黑輻射特性，提出并模擬研究了同時重建火焰溫度與煙黑容積份額的發(fā)射CT法，模擬結(jié)果顯示發(fā)射CT法適用于重建單峰或峰谷差較小的雙峰溫度與煙黑容積份額分布。本文所完成的是火焰溫度場與煙黑容積份額分布的同時輻射成像重建，這是本文的一個重要創(chuàng)新。 利用發(fā)射CT法

6、對非冒煙蠟燭火焰與冒煙煤油火焰的溫度與煙黑容積份額進行測量，可以準確得到非冒煙與冒煙火焰擴散火焰的分布特征。進一步將發(fā)射CT法應用于流量可控的乙烯/空氣擴散火焰研究，從火焰溫度與煙黑容積份額分布可以看到，溫度達到最大值的徑向位置比煙黑容積份額達到最大值的徑向位置稍大，從而可以確定擴散火焰中煙黑顆粒形成區(qū)發(fā)生在火焰反應區(qū)的富燃側(cè)。當燃料流量增大，煙黑濃度增大，輻射損失增大，反過來影響火焰溫度，使火焰溫度水平更低?；鹧鏈囟确催^來影響煙黑的氧

7、化速率，使火焰中煙黑濃度增加。這與文獻中的實驗結(jié)論是一致的。通過與模擬計算和熱電偶的測量比較，發(fā)射CT法不但可以定性還可以定量給出溫度分布與煙黑容積份額分布，而且比熱電偶法測量煙黑在火焰上部的氧化區(qū)有更強的適應性。 在燃燒傳熱數(shù)值計算中，通常假定燃燒釋放的化學能全部轉(zhuǎn)化為燃燒介質(zhì)的內(nèi)能，介質(zhì)溫度升高，熱輻射增強，但這與實際情況不符。事實上，燃燒反應釋放的總能量可分成二個部分，一部分為燃燒產(chǎn)物吸收成為內(nèi)能；另一部分則作為輻射能直

8、接對外發(fā)射。因此本文在輻射傳遞方程與能量守恒方程中引入了燃燒反應放熱的自吸收份額ψ，針對一個簡單二維發(fā)射吸收的矩形系統(tǒng)，研究了燃燒反應中考慮化學發(fā)光輻射對整個燃燒系統(tǒng)能量平衡的影響。從總能量平衡角度看，化學發(fā)光并不影響壁面熱流分布以及非反應區(qū)的溫度分布。而直接輻射能份額對反應區(qū)溫度的影響十分明顯，自吸收份額ψ越小，直接輻射份額越大，反應區(qū)溫度越低。因此基于熱輻射成像的測量方法需要作相應的修正，而首先要解決的問題就是通過相關實驗來確定自吸