湍流辐射交互作用对碳黑预测影响的数值研究

发布时间：2020-05-26 19:13

【摘要】：碳黑颗粒(soot)对环境、人体健康和航空发动机安全运行等都有重要影响,因此准确地模拟碳黑生成,并调控减少碳黑生成有着重要意义。通常碳黑的生成对温度非常敏感,辐射换热又是影响燃烧火焰温度分布的重要因素之一,因此本文将在综述国内外碳黑颗粒以及湍流辐射交互作用研究现状的基础上,就湍流辐射交互作用(TRI)对碳黑生成的影响以及碳黑颗粒的减排进行研究。本文首先在二维湍流乙烯扩散火焰中引入考虑TRI和WSGG2013非灰辐射特性模型的高精度方法来预测碳黑生成和温度分布,并与常规方法下的结果进行对比,结果表明考虑TRI和WSGG非灰辐射特性使得预测的碳黑浓度和温度更接近实验值,结合碳黑成核速率常数的修正后可以准确地预测碳黑和温度的分布。然后在该模型基础上研究了碳黑调控及减排,分析了富氧燃烧时不同燃料稀释和氧化剂浓度下,湍流辐射交互作用对碳黑浓度和温度的影响。结果表明:随着燃料的稀释,火焰在乙烯体积浓度约50%以下时碳黑体积分数已低于1e-9的可视生成极限,而由不考虑TRI所引起的温度相对误差先增大后减小;随着伴流氧浓度的增大,碳黑分布和浓度随之减小,氧气体积分数增加到80%时碳黑生成区域已很小,但体积分数依然有2.78e-8;当氧气浓度低于60%时,不考虑TRI将会使得火焰温度偏高,而氧气浓度大于等于60%时不考虑TRI将会使得温度偏低。最后在DLR双径向旋流器三维燃烧室中模拟碳黑的生成并与实验值比较,通过改变内外旋流占比和二次流流量等方式来调控减少旋流燃烧室中碳黑颗粒,结果表明碳黑浓度和分布区域随着中心旋流占比的减少或者二次流流量的增大呈现减少趋势。
【图文】：

碳黑,电镜,颗粒

南京航空航天大学硕士学位论文4）氧化：碳黑颗粒的氧化过程为碳黑与氧化性气体发生化学反应减小颗粒质量的过程主要的氧化物质为 O2或者 OH，在贫燃料区域 O2的作用更强，在富燃区域 OH 的作[22]。氧化速率也与碳黑颗粒的表面积和氧化剂浓度有关。5）聚集：碳黑颗粒的聚集表示颗粒碰撞吸附在一起的过程，与成核，表面生长，氧化程决定碳黑颗粒的质量大小，不同的是，聚集是一个物理过程而不涉及化学反应，因控制着颗粒的尺寸和数密度，随着聚集的进行碳黑颗粒数减少，颗粒增大。综上所述碳黑颗粒生成的主要过程就是颗粒成核，表面增长与颗粒氧化以及聚集的一程。

示意图,过程,碳黑,示意图

南京航空航天大学硕士学位论文4）氧化：碳黑颗粒的氧化过程为碳黑与氧化性气体发生化学反应减小颗粒质量的过程主要的氧化物质为 O2或者 OH，在贫燃料区域 O2的作用更强，在富燃区域 OH 的作[22]。氧化速率也与碳黑颗粒的表面积和氧化剂浓度有关。5）聚集：碳黑颗粒的聚集表示颗粒碰撞吸附在一起的过程，与成核，表面生长，氧化程决定碳黑颗粒的质量大小，，不同的是，聚集是一个物理过程而不涉及化学反应，因控制着颗粒的尺寸和数密度，随着聚集的进行碳黑颗粒数减少，颗粒增大。综上所述碳黑颗粒生成的主要过程就是颗粒成核，表面增长与颗粒氧化以及聚集的一程。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231.2

【相似文献】