基于LPP燃烧室的碳烟生成数值模拟研究
发布时间：2021-02-24 09:09
燃气轮机的排气污染物主要包括:一氧化碳（CO）、未燃碳氢化合物（UHC）、碳烟颗粒（Soot）、氮氧化物（NOx）。碳烟颗粒的生成是燃料燃烧时不可避免的,它是一种由各种大分子含碳有机物团聚而成的大气颗粒污染物,它的排放会对人体、环境以及发动机本身产生很大的危害。碳烟颗粒的排放不但可以引发呼吸系统疾病、肺功能下降和诱发癌症等对人体健康有害的结果;而且还能引发大气温室效应的增强、抑制大气对流层中臭氧的形成、改变局部地区的水文气候、降低大气能见度等一些环境问题;以及降低发动机气动特性,减少发动机寿命。贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室是当下最受欢迎和排放最少的发动机之一所使用的燃烧室,有必要对碳烟颗粒在该燃烧室中的生成情况进行研究。本文通过对基于LPP燃烧室的模型建模和数值模拟其燃烧过程,对LPP燃烧室的冷态流场,燃烧后的温度场进行分析与讨论并基于这些结果对燃烧室进行了合理的修改,在敲定了最终的模型后,对该模型进行了燃烧的数值模拟,并对该燃烧后的火焰筒中的碳烟颗粒物的生成通过Moss-Brookes模型和矩模型双模型进行了模拟。发现生成碳烟的位置主要局部富油高温燃烧的位置,并且除了氧化和凝聚过程...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳烟颗粒形成的基本机制
中国民航大学硕士学位论文9第二章碳烟颗粒物生成机理碳烟颗粒是燃烧不完全而形成的致密的固体颗粒物质，是碳层面的统计组合体，从小尺度到大尺度的简要介绍碳烟颗粒的结构如图2-1所示，首先由多环芳烃构成的晶片不规则的一片片堆叠如图2-1中（a）所示；2~10层的晶片堆叠形成晶粒，多个晶粒构成一个基本碳烟颗粒粒子，如（b）所示，基本碳烟颗粒的晶粒在中心的排列很不规则，但在外层大致呈涡旋状；最后形成的基本碳烟颗粒互相集聚成链状结构的大型碳烟颗粒。图2-1碳烟颗粒的大体形貌在第一章中已经指出通过对实验室中简单流场的火焰进行研究，研究学者们逐渐掌握了碳烟颗粒物的大致生成过程。通过这种允许在不同的颗粒形成阶段收集样品的实验，研究学者们提出了不少关于碳烟颗粒物的具体形成过程的观点。尽管碳烟颗粒物的生成过程中许多细节仍未完全清楚，总的来说经过碳烟颗粒物数十年来的广泛研究，大家普遍认为，碳烟颗粒的形成被人为的大致分为四个步骤，它开始于燃料热解过程中形成的气相分子前体；接下来是成核反应，这是非常重的一环，因为经过这一步过程，碳烟颗粒由气态的前体变成了致密的固体；接下来是碳烟颗粒物的表面生长，凝结（coalescence），凝聚（agglomeration）的过程；最后是碳烟颗粒物的表面氧化，破碎等一系列表面反应。在接下来的详细生成机理中每个单独路线的相对重要性强烈取决于燃料分子的结构以及压力和温度条件。下文对碳烟生成过程中的详细机理进行了阐述，并针对经验型数值模拟公式进行了详细介绍。
中国民航大学硕士学位论文12图2-2PAH生长的MAC机制从以上讨论可以推断出存在多种不同的PAH增长途径，每种途径的相对重要性完全取决于燃料分子结构以及火焰环境。在形成PAH之后就要考虑碳烟颗粒物的成核反应。2.2碳烟颗粒物成核碳烟颗粒的成核指的是气态前体物质向致密的固态碳物质的转变的过程，所以不难看出成核这一步是非常关键的步骤，但这却是碳烟颗粒生成过程中人类了解的最不清楚的一个步骤。目前对于该步骤有三种假说。第一种碳烟颗粒成核途径是主要是认为富勒烯状的多环芳烃聚集体为碳烟成核的关键。在这个途径上中本文列出了两种可能的过程。首先一种可能的过程是如图（2-3）中（a）所示，PAHs在经过HACA加成的过程中，在能形成脱氢反应的温度下，碳趋于形成稳定的球形壳，以满足化合价的要求。在此基础上，在趋向于向富勒烯形成过程中，错误的多环芳烃加成阻止了多环芳烃形成闭环的富勒烯。进一步生长成了洋葱状的结构。另一种可能的过程是如图（2-3）中（b）所示，PAH和PAH聚合产生了芳香族低聚物，然后这种芳香族低聚物因为火焰中丰富的小碳氢化合物，继续HACA机制，并继续生长最终成为了碳烟颗粒前体。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于贫油预混蒸发（LPP）的多点喷射低污染燃烧室头部方案研究[J]. 王铮钧,索建秦,黎明,梁红侠,赵聪聪. 科学技术与工程. 2013(34)
[2]乙醇/柴油燃烧颗粒状态特征试验研究[J]. 李铭迪,王忠,李立琳,陈林,李瑞娜. 农业机械学报. 2013(03)
[3]先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨[J]. 林宇震,林阳,张弛,许全宏. 航空动力学报. 2010(09)
[4]考虑详细化学和物理过程的碳氢预混火焰炭黑生成动力学模型及数值模拟[J]. 蒋勇,邱榕,范维澄. 燃烧科学与技术. 2005(03)
[5]煤油超燃冲压发动机两相流场数值模拟（I）数值校验及总体流场特征[J]. 黄生洪,徐胜利,刘小勇. 推进技术. 2004(06)
[6]碳黑颗粒生长模型的初步研究[J]. 钟北京,刘晓飞. 工程热物理学报. 2004(05)
[7]层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型[J]. 钟北京,刘晓飞. 工程热物理学报. 2004(01)
硕士论文
[1]掺氢碳氢燃料扩散火焰碳烟生成的研究[D]. 陈金超.安徽工业大学 2019
[2]航空发动机二维模型燃烧室中碳黑颗粒生成数值模拟[D]. 李红红.南京航空航天大学 2008
本文编号：3049145
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳烟颗粒形成的基本机制
中国民航大学硕士学位论文9第二章碳烟颗粒物生成机理碳烟颗粒是燃烧不完全而形成的致密的固体颗粒物质，是碳层面的统计组合体，从小尺度到大尺度的简要介绍碳烟颗粒的结构如图2-1所示，首先由多环芳烃构成的晶片不规则的一片片堆叠如图2-1中（a）所示；2~10层的晶片堆叠形成晶粒，多个晶粒构成一个基本碳烟颗粒粒子，如（b）所示，基本碳烟颗粒的晶粒在中心的排列很不规则，但在外层大致呈涡旋状；最后形成的基本碳烟颗粒互相集聚成链状结构的大型碳烟颗粒。图2-1碳烟颗粒的大体形貌在第一章中已经指出通过对实验室中简单流场的火焰进行研究，研究学者们逐渐掌握了碳烟颗粒物的大致生成过程。通过这种允许在不同的颗粒形成阶段收集样品的实验，研究学者们提出了不少关于碳烟颗粒物的具体形成过程的观点。尽管碳烟颗粒物的生成过程中许多细节仍未完全清楚，总的来说经过碳烟颗粒物数十年来的广泛研究，大家普遍认为，碳烟颗粒的形成被人为的大致分为四个步骤，它开始于燃料热解过程中形成的气相分子前体；接下来是成核反应，这是非常重的一环，因为经过这一步过程，碳烟颗粒由气态的前体变成了致密的固体；接下来是碳烟颗粒物的表面生长，凝结（coalescence），凝聚（agglomeration）的过程；最后是碳烟颗粒物的表面氧化，破碎等一系列表面反应。在接下来的详细生成机理中每个单独路线的相对重要性强烈取决于燃料分子的结构以及压力和温度条件。下文对碳烟生成过程中的详细机理进行了阐述，并针对经验型数值模拟公式进行了详细介绍。
中国民航大学硕士学位论文12图2-2PAH生长的MAC机制从以上讨论可以推断出存在多种不同的PAH增长途径，每种途径的相对重要性完全取决于燃料分子结构以及火焰环境。在形成PAH之后就要考虑碳烟颗粒物的成核反应。2.2碳烟颗粒物成核碳烟颗粒的成核指的是气态前体物质向致密的固态碳物质的转变的过程，所以不难看出成核这一步是非常关键的步骤，但这却是碳烟颗粒生成过程中人类了解的最不清楚的一个步骤。目前对于该步骤有三种假说。第一种碳烟颗粒成核途径是主要是认为富勒烯状的多环芳烃聚集体为碳烟成核的关键。在这个途径上中本文列出了两种可能的过程。首先一种可能的过程是如图（2-3）中（a）所示，PAHs在经过HACA加成的过程中，在能形成脱氢反应的温度下，碳趋于形成稳定的球形壳，以满足化合价的要求。在此基础上，在趋向于向富勒烯形成过程中，错误的多环芳烃加成阻止了多环芳烃形成闭环的富勒烯。进一步生长成了洋葱状的结构。另一种可能的过程是如图（2-3）中（b）所示，PAH和PAH聚合产生了芳香族低聚物，然后这种芳香族低聚物因为火焰中丰富的小碳氢化合物，继续HACA机制，并继续生长最终成为了碳烟颗粒前体。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于贫油预混蒸发（LPP）的多点喷射低污染燃烧室头部方案研究[J]. 王铮钧,索建秦,黎明,梁红侠,赵聪聪. 科学技术与工程. 2013(34)
[2]乙醇/柴油燃烧颗粒状态特征试验研究[J]. 李铭迪,王忠,李立琳,陈林,李瑞娜. 农业机械学报. 2013(03)
[3]先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨[J]. 林宇震,林阳,张弛,许全宏. 航空动力学报. 2010(09)
[4]考虑详细化学和物理过程的碳氢预混火焰炭黑生成动力学模型及数值模拟[J]. 蒋勇,邱榕,范维澄. 燃烧科学与技术. 2005(03)
[5]煤油超燃冲压发动机两相流场数值模拟（I）数值校验及总体流场特征[J]. 黄生洪,徐胜利,刘小勇. 推进技术. 2004(06)
[6]碳黑颗粒生长模型的初步研究[J]. 钟北京,刘晓飞. 工程热物理学报. 2004(05)
[7]层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型[J]. 钟北京,刘晓飞. 工程热物理学报. 2004(01)
硕士论文
[1]掺氢碳氢燃料扩散火焰碳烟生成的研究[D]. 陈金超.安徽工业大学 2019
[2]航空发动机二维模型燃烧室中碳黑颗粒生成数值模拟[D]. 李红红.南京航空航天大学 2008
本文编号：3049145
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