基于消光法的水蒸气对层流扩散碳氢火焰碳烟分布特性影响研究

发布时间：2020-10-31 17:44

　　 碳烟是燃料燃烧不完全的产物,是造成能源损耗和环境污染的重要因素。同时,烟气亦是多数火灾事故中造成人员伤亡的罪魁祸首,烟气会造成火场能见度的降低,导致人员疏散困难,碳烟颗粒也会被直接吸入人的呼吸道,造成窒息伤亡。故对燃料燃烧过程中的碳烟含量进行准确测定,以及对碳烟生成特性和影响因素进行研究,对实现降低燃烧过程的碳烟排放量以提高能源利用率、降低环境污染、减少火灾事故中的人员伤亡具有重要的社会应用价值。快速准确地获取火焰中的碳烟颗粒含量,是对碳烟形成特性和发烟量控制方法进行深入研究的前提。综合比较现有的碳烟检测方法,选择精度较高且实验成本相对较低的消光法作为本次研究的基本技术手段,通过对消光法求解算法的深入研究,基于Matlab平台开发了一套可以实现图像处理和消光法算法求解的软件程序,并自主搭建了一套消光法的实验平台,以获取激光火焰图像、火焰图像、激光图像和背景图像四张图像作为消光法计算求解的原始数据。为了验证算法程序和实验平台的可靠性,分别以乙烯/空气和丙烷/空气层流扩散火焰为实验对象开展测试实验,将测试结果与前人的实验结果的进行对比,结果显示:乙烯火焰和丙烷火焰的测试结果均与前人的实验结果体现较高的一致性,其不同高度的峰值相对误差基本控制在8.13%以内,且主要误差来源于火焰根部和火焰尖部受火焰形态影响较高的区域,在火焰中部区域,同一高度的碳烟体积分数在径向方向上的峰值相对误差基本控制3.84%以内。综上所述,本次研究中搭建的消光法实验平台和自主编写的算法程序对碳氢火焰中碳烟含量的测定具有较高的可靠性和适用性。为进一步探讨水蒸气含量对碳氢火焰中碳烟生成特性的影响,在消光法实验系统中增设了一套雾化加湿装置,分别展开对乙烯和丙烷火焰在不同水蒸气含量下的碳烟浓度测定试验。通过对0%、5%、8%、12%和15%水蒸气含量的5工况进行实验,结果显示:在火焰形态上,水蒸气含量的增加会导致火焰亮度的变暗,并对火焰形成拉伸作用。在碳烟含量上,水蒸气含量的增加,会导致火焰中碳烟含量整体水平的下降,但抑制效应呈现随着火焰高度的增加而逐渐减弱的特征。另外,通过对前人在水蒸气对火焰碳烟生成特性影响机理提出的温度效应、氧气稀释效应和化学反应效应3种作用形式进行详细的讨论,发现该结论在本研究的实验结果中具有高度的适用性,论证了该结论可靠性的同时,说明了本次实验结果具有较高的准确性和适用性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X932
【部分图文】：

3图 1-1 碳烟颗粒的生长和团聚过程[11]（1）颗粒前驱物的形成。这个过程主要是指碳氢燃料经过高温热解形成子苯环芳烃开始，通过与其他芳烃或者较小烃基反应形成环芳烃，并进一长形成较大的多环芳烃（PAH）的过程，这一部分依然属于分子形成的化学过程。（2）碳烟颗粒成核过程。关于从大分子多环芳烃向直径约为 1~2nm 的最辨识碳烟颗粒转变的成核过程，目前依然未形成一致的认识，主要分歧在于部分学者认为成核主要依靠 C3H3+等离子作用的离子成核理论[12]，还有一部者则认为主要是通过不荷电自由基的分子成核理论[13-14]。（3）凝聚和表面生长过程。相较于成核过程存在的分歧，对于碳烟颗粒

3.1接触测量方法（一）稀释抽取法稀释抽取法的原理是将探针插入火焰中，抽取火焰中的燃烧物质，并加释，然后用显微镜颗粒物质的形态外貌的观察，如图 1-3 所示。稀释的目的了在将燃烧物质抽出火焰外时，迅速减少其化学反应速率，使得碳烟颗粒原来的形态特征。作为一种系统集成度高、工业应用方便的碳烟颗粒离线检测技术，稀释法在汽车尾气检测及大型锅炉工业生产中的应用较多，福特汽车公司aricq 先生应用基于稀释抽取法的可拆分移动分析仪（Differential Mobalyzer，DMA）对汽车引擎燃烧尾气中的碳烟颗粒数量和荷点特性开展了的科学研究。该方法的局限性体现在其稀释效果上，虽然及时对抽出的碳粒进行了稀释，但依然无法还原其原来的外貌特征，这也是该方法多年来个技术难点[3]。

图 1-3 DMA 颗粒采集系统示意图[3]（二）纤维采集法上世纪 80 年代，纤维采集法最初由美国航天局（NASA）用来测量微火焰温度，根据硅质纤维在火焰中发出的光亮，计算出火焰温度，纤见图 1-4[28]。由于在纤维在火焰中会沉积燃烧过程中形成的碳烟颗粒长短并不会影响沉积烟黑颗粒的尺寸特征，通过显微镜可以良好的展粒的形态特征，因此被后来学者应用于碳烟颗粒形成特性的研究当中好的避免实验材料对火焰形态的干扰，Vilimpoc 等人[29]于 1988 年发明径为 15um 的 SiC 细丝纤维的细丝高温计（Thin Filament Pyrometry，，并成功应用于火焰的温度和烟黑形态特征的研究中，韩国科技大学的[30]亦利用纤维采集法对火焰不同位置的碳烟颗粒形态开展了大量研究不同高度的碳烟颗粒形态特征。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发;;利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数[J];物理化学学报;2015年05期

2 李云红;马蓉;张恒;曹浏;霍可;赵强;;双波段比色精确测温技术[J];红外与激光工程;2015年01期

3 刘福水;戴钰杰;何旭;高永利;刘凤山;李向荣;;一种新型非平行光消光法在碳烟测试中的应用[J];北京理工大学学报;2014年12期

4 成晓北;郗涛;曾志斌;;从火焰图像求取温度场的双色法测量系统[J];汽车安全与节能学报;2014年01期

5 郭喆;娄春;刘正东;周怀春;;富氧扩散火焰中燃烧特性及火焰结构对碳黑生成的影响[J];中国科学:技术科学;2013年09期

6 李红梅;何旭;郑亮;刘凤山;王建昕;刘福水;;激光诱导炽光技术用于碳烟粒径测试的研究[J];工程热物理学报;2013年07期

7 黄群星;杜锦才;蔡旭;严建华;池涌;;氧浓度对C_2H_4扩散火焰中碳烟形态演化的影响[J];燃烧科学与技术;2013年01期

8 何旭;戴钰杰;郑亮;齐运亮;王建昕;;二维消光法在乙烯火焰碳烟浓度测量中的应用[J];中国电机工程学报;2012年26期

9 梁军辉;黄群星;冯玉霄;池涌;严建华;;氧体积分数对乙烯扩散火焰中烟黑生成影响的实验[J];浙江大学学报(工学版);2012年08期

10 李山岭;蒋勇;邱榕;陈珊珊;;火灾烟气危害定量评价模型THVCH及其应用[J];安全与环境学报;2012年02期

本文编号：2864287