燃烧过程中碳烟微粒三维形貌及力学特性的研究

发布时间：2017-10-08 07:05

  本文关键词：燃烧过程中碳烟微粒三维形貌及力学特性的研究

  更多相关文章： 柴油机 预混火焰 扩散火焰 碳烟微粒 原子力显微镜 三维形貌 力学特性

【摘要】：由于碳烟微粒的形成过程包含一系列复杂的物理化学变化过程,且这些变化发生时间极短,因此,其生成演化机理迄今尚未完全清楚。本文通过柴油机全气缸取样系统和热泳取样系统获取了柴油机、甲烷预混和扩散火焰燃烧过程中的碳烟微粒,并使用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)研究了这些微粒的形貌及力学特性在燃烧过程中演变规律,研究成果有助于深入理解碳烟微粒生成演化机制,从而为降低碳烟微粒的排放提供了理论指导。柴油机、甲烷预混和扩散火焰三种燃烧方式下生成的微粒体积当量直径(Equivalent diameter,ED)分布的峰值位于2.5-4.5 nm;伴随着燃烧过程的进行,单个碳烟微粒的平均体积当量直径(Averaged equivalent diameter,AED)呈先增大后减小的变化趋势。甲烷预混和扩散火焰生成的微粒球度比(Sphericity ratio,SR)随ED的增加呈逐渐增加的趋势,表明这两种燃烧方式下的微粒碳化程度与粒径相关。相比之下,柴油机缸内微粒未发现这一规律,这可能是由缸内燃烧不均匀导致不同“成熟度”碳烟微粒和未燃燃料的共存所引起的。由于AFM的使用将微粒的粒径检测限拓展到了1nm,从而发现柴油机、甲烷预混和扩散火焰三种燃烧过程中一直存在纳米粒子,这些纳米粒子粒径小于7 nm、球度比低于0.02。燃烧初期微粒的三维形貌图与对应的振幅图和相图差异明显,随着燃烧过程的进行,这种差异逐渐减小。甲烷预混火焰早期形成的微粒主要是单微粒,当HAB=8 mm时才出现聚集态的微粒,这说明碳烟微粒的团聚可能发生在碳化完成之后,符合Lahaye等人提出的演化机制;柴油机缸内和甲烷扩散火焰在燃烧初期出现了团聚态的微粒,说明微粒在未完全碳化之前可能已发生了团聚,这与Reilly提出的碳烟微粒演化机制相符。柴油机缸内微粒具有三种不同特征的力曲线,分别对应于碳化碳烟微粒,初生碳烟微粒和未燃液体燃料;而甲烷预混火焰和甲烷扩散火焰的碳烟微粒只有两种形式的力曲线,分别与碳化碳烟微粒、初生碳烟微粒对应。由于初生态碳烟微粒在力测量过程中发生了塑性形变,所以仅针对具有石墨片层结构的碳化碳烟微粒进行力学分析。柴油机缸内和甲烷扩散火焰的碳烟微粒平均吸附力(Averaged attractive force,AF_(at))随燃烧过程的进行逐渐降低,而甲烷预混火焰的碳烟微粒AF_(at)呈逐渐增加的趋势。对于柴油机和甲烷扩散火焰微粒来说,计算的范德华力(Van der Waals force,Fvdl)与AF_(at)比值在60%以上,而甲烷预混火焰的碳烟微粒Fvdl与AF_(at)达到了75%,表明范德华力在吸附力中占主导地位。三种燃烧方式生成的碳烟微粒平均粘附力(Averaged adhesive force,AFad)都随燃烧过程的进行呈逐渐增加的趋势,柴油机碳烟微粒的增加趋势相对于甲烷预混火焰和甲烷扩散火焰较平缓。甲烷预混火焰的平均粘附能(Averaged adhesion energy,AWad)较柴油机缸内和甲烷扩散火焰的碳烟微粒AWad略低。碳烟微粒的AWad较其平均热动能高3-4个数量级,说明当碳烟微粒碰撞后发生团聚的可能性极高。尽管碳烟微粒的吸附力、粘附力和粘附能是通过测量探针针尖与碳烟微粒之间的相互作用来获得的,但是由于在研究中使用的是同一个原子力探针,研究结果能够定性的表征碳烟微粒的吸附力、粘附力和粘附能随燃烧过程进行的演变规律。三种燃烧特性的碳烟微粒平均杨氏模量都远低于石墨烯的杨氏模量,且与微晶层间距呈负相关性,这表明碳烟微粒的杨氏模量可能是由其内部石墨片层之间的分子键能决定的。
【关键词】：柴油机 预混火焰 扩散火焰 碳烟微粒 原子力显微镜 三维形貌 力学特性
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-15
• 字母注释表15-18
• 第一章 绪论18-30
• 1.1 引言18-19
• 1.2 文献综述19-27
• 1.3 碳烟微粒的检测技术27-28
• 1.4 本文研究意义及内容28-30
• 第二章 实验系统及测试方法30-45
• 2.1 微粒全气缸取样平台30-34
• 2.2 实验室火焰取样34-35
• 2.3 形貌研究35-39
• 2.4 力曲线39-44
• 2.5 试验误差44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 柴油机缸内碳烟微粒形貌及力学性质演变规律45-65
• 3.1 三维形貌45-56
• 3.2 力学分析56-63
• 3.3 本章总结63-65
• 第四章 甲烷预混火焰碳烟微粒形貌及力学特性演变规律65-86
• 4.1 形貌研究65-78
• 4.2 力学分析78-84
• 4.3 本章小结84-86
• 第五章 甲烷扩散火焰碳烟微粒形貌及力学特性演变研究86-106
• 5.1 形貌分析86-97
• 5.2 力学分析97-104
• 5.3 本章小结104-106
• 第六章 燃烧特性对碳烟微粒形貌与力学性质的影响106-114
• 6.1 形貌对比106-110
• 6.2 力学性质对比110-112
• 6.3 本章小结112-114
• 第七章 全文工作总结与展望114-117
• 7.1 全文总结114-115
• 7.2 展望115
• 7.3 创新点115-117
• 参考文献117-129
• 发表论文和参加科研情况说明129-130
• 致谢130-131

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