单分散柴油雾化燃烧中的超细颗粒生成和演化机理研究

Compared to the combustion of gas fuels, the combustion of liquids is a highly complex two-phase phenomenon accomplished fuel injecton, droplets evaporation,physical mixture and chemical reaction of the fuel vapor with the oxidizer. The objective of this project is to investigate the effects of diesel fuel droplet size on ultrafine particels formation and evolvement in flames formed in a premixed co-flow burner experimentally. The diameter of monodispersed diesel fuel spray is controlled independenylly using a frequency-tunable vibrating orfice atomizer or ultrasonic vibratory atomizer. The spatial distribution of soot volume fraction and soot presusors are measured by laser induced incandesence(LIF) and laser induced fluorescence respectly. The partiles deposited on a mica substrate with thermophormetric sampling method are analyzed by atomic force microscopy(AFM). AFM can collect a three dimensional map of the particles and gets the size distribution and surface morphology of the particles. The size distribution of the particles from the flame are also measured by diffrential mobility analysis (DMA) coupled with a dilution sampling system. This project is critial to understand the formation and evolvement of particles in diesel fuel.

柴油燃烧的超细颗粒物生成涉及到复杂的化学物理过程，其生成机理比气体燃料燃烧生成超细颗粒物机理更复杂，特别是核态颗粒物的生成和演化还有许多科学问题需要解决。本研究利用单分散柴油雾化方法生成粒径均一或粒径分布很窄的柴油粒子，利用协流燃烧器热环境实现单分散柴油雾化扩散燃烧。利用热泳沉降方法对不同火焰位置生成的颗粒物直接取样并用原子力显微镜分析燃烧中超细颗粒物的粒径分布、三维形态、颗粒物的成核和长大并与采用稀释取样的颗粒物粒径测试系统测量结果进行比较，结合激光诱导荧光测试不同火焰位置的颗粒生成前驱物的浓度，来分析柴油燃烧的超细颗粒物生成，粒径分布及成核和凝并等。主要包括柴油粒径对超细颗粒物核态粒径分布，特别是小于3nm颗粒物分布的影响。柴油粒径对颗粒物表面形态如表面积，体积等的影响。该项目的研究有助于深化对柴油机扩散燃烧中核态颗粒物的生成和演化规律的理解。

利用协流燃烧器热环境实现单分散柴油雾化扩散燃烧，研究了协流燃烧器的性能及燃料单分散雾化特性。结果表明：（1）燃烧器可以为射流在径向50mm内，提供一个高度100mm恒温区，且可以通过改变伴流当量比来调节热氛围的温度和氧浓度；（2）载气流量越大，喷雾高度越高，燃料的供给量对喷雾高度基本没有影响。.研究了射流火焰的火焰结构及燃气参数对其的影响。结果表明：（1）火焰根部为预混燃烧区，火焰顶部为扩散燃烧区（2）随着热氛围温度的上升，火焰总长度增加，预混火焰长度下降；（3）随着射流空气流量的增大，火焰总长度减小，预混火焰长度变大；（4）随着燃料供给量的增加，火焰总长度增加，预混火焰长度基本不变。.研究了燃烧器伴流当量比对超细颗粒物粒径分布的影响。结果表明：（1）随着伴流当量比的增加，聚集态颗粒物数目上升；（2）在预混火焰区，随着伴流当量比的增加，颗粒物数目升高，颗粒物平均粒径先变大后变小；（3）在扩散火焰区，随着伴流当量比的增加，颗粒物数目升高，颗粒物平均粒径变大。.研究了燃烧器射流当量比对超细颗粒物粒径分布的影响。结果表明：随着射流当量比的增加，颗粒物数目显著降低，颗粒物平均粒径变小。.研究了不同粒径的燃料对碳烟颗粒样品形貌的影响。结果表明：燃料粒径越小，同火焰高度产生的颗粒物平均粒径越小，颗粒物成熟度越高。.研究了燃料的芳烃含量对颗粒物粒径分布及氧化特性的影响。结果表明：芳烃含量越高颗粒物数量浓度越高，高芳烃燃料产生的碳烟活化能高于低芳烃燃料，氧化活性较低。.颗粒物随反应进程的变化体现在火焰不同高度处超细颗粒物粒径分布和形貌的变化，研究结果表明：在预混火焰区及扩散火焰区，随着火焰高度的上升，颗粒物数目降低，颗粒物平均粒径变小，预混燃烧及扩散燃烧末端碳烟成熟度较高；在过渡区域，颗粒物数目和平均粒径出现突然的增大，存在着不同成熟度的碳烟颗粒。.射流火焰的研究结果表明，在高温富氧的环境下，成熟的小粒径碳烟颗粒主要出现在燃烧末期，由大的碳烟颗粒氧化生成。