激光诱导炽光法的仿真与实验研究

发布时间：2017-05-04 03:12

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【摘要】：尽管柴油发动机的燃烧经济效益要比汽油发动机高出许多,但是柴油机的碳烟排放量要远远高于汽油机,很多国家地区已经修订排放法案来限制柴油发动机的碳烟颗粒排放。燃烧所产生的碳烟对环境的污染十分严重。首先,人体呼吸碳烟后会导致肺部问题,严重情况下可能诱发癌症,尤其是直径不足几微米的碳烟颗粒不仅可以渗透到人类生活的室内区域,而且可以深度侵入人体呼吸系统。发动机排放是碳烟颗粒的重要来源,特别是在城市地区,低空排放减少了碳烟颗粒被气流转移或是消除的可能。碳烟颗粒还被认定为产生温室效应的关键来源,对环境温度变化和海平面的上升有着重要影响。不仅如此,碳烟颗粒对发动机本身也存在着影响。首先碳烟会影响燃烧设备所产生的火焰温度,同时碳烟辐射会增加燃烧室中各零部件温度,导致了仪器设备寿命衰减。因此,研究人员为了更好地理解碳烟在火焰中的形成和破坏过程从而找出控制碳烟生成的办法,需要对发动机产生的碳烟进行测量。本文首先基于能量守恒和质量守恒定律建立了激光诱导炽光法测量碳烟颗粒参数的模型,对激光加热过程中碳烟颗粒的粒径和温度的变化进行仿真计算,并且讨论了不同入射激光波长和入射激光能量对碳烟颗温度和粒径变化的影响,通过仿真模拟找出适合实验的激光能量和波长。仿真模拟计算之后,搭建激光诱导炽光法实验平台,建立了一套基于激光诱导炽光法及双色法测量碳烟颗粒体积分数的系统。该系统利用高能脉冲激光瞬间加热火焰中的碳烟颗粒,利用双色法计算碳烟颗粒温度,确定炽光信号与碳烟颗粒浓度的量化关系,通过Matlab中编写的程序计算出火焰中碳烟颗粒的体积分数以及二维分布。
【关键词】：碳烟颗粒 激光诱导炽光法 双色法 仿真模拟计算
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421;TN249
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 论文研究背景及意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 碳烟的光学诊断技术12-17
• 1.2.1 消光法12-14
• 1.2.2 双色法14-16
• 1.2.3 激光诱导炽光法（LII）16-17
• 1.3 LII的研究历史及现状17-18
• 1.4 本文的主要工作及内容安排18-20
• 第2章 激光诱导炽光法原理20-30
• 2.1 激光诱导炽光法测量碳烟体积分数20-25
• 2.1.1 激光诱导炽光法测量碳烟体积分数的基本原理20-22
• 2.1.2 碳烟颗粒指数因子x22-23
• 2.1.3 双色法—LII测量碳烟体积分数23-25
• 2.2 激光诱导炽光法测量碳烟粒径25-29
• 2.2.1 激光散射法和激光诱导炽光联用测量碳烟粒径25-26
• 2.2.2 时间解析LII法测量碳烟粒径26-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 激光诱导炽光法的仿真模拟计算30-44
• 3.1 激光诱导炽光法仿真模型30-33
• 3.1.1 能量守恒方程30-33
• 3.1.2 质量守恒方程33
• 3.2 LII仿真模拟计算程序33-34
• 3.2.1 Matlab简介33-34
• 3.2.2 模拟仿真软件界面介绍34
• 3.3 模拟计算结果分析34-42
• 3.3.1 模拟计算各参量求解34-37
• 3.3.2 激光能量对LII的影响37-40
• 3.3.3 激发波长对LII的影响40-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 激光诱导炽光法实验系统搭建44-52
• 4.1 激光诱导炽光实验系统平台44-45
• 4.2 激光诱导炽光实验燃烧器选择45-47
• 4.3 燃烧气路控制系统47-48
• 4.4 实验所用激光器系统48-49
• 4.5 实验所用ICCD相机49-50
• 4.6 实验所用激光能量计50
• 4.7 实验光学仪器50-51
• 4.8 本章小节51-52
• 第5章 激光诱导炽光法实验分析52-64
• 5.1 激光器和ICCD的时序同步52-53
• 5.2 炽光信号图像获取与处理53-57
• 5.2.1 Andor_SOLIS软件介绍53
• 5.2.2 不同C_2H_4浓度下的LII炽光信号53-54
• 5.2.3 不同激光能量下的LII炽光信号54-55
• 5.2.4 背景光源信号处理55-57
• 5.3 TC—LII数值计算57-61
• 5.3.1 双色法波长 λ 的选择58-59
• 5.3.2 双色法公式参量 α 的选择59
• 5.3.3 ICCD增益59-60
• 5.3.4 实验计算结果60-61
• 5.4 实验误差分析61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 全文总结与展望64-66
• 6.1 全文总结64-65
• 6.2 研究展望65-66
• 参考文献66-70
• 附录：激光诱导炽光法检测碳烟参数仿真软件V1.070-76
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果76-78
• 致谢78

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