论文摘要
液体燃料通过雾化喷射进入内燃机的汽缸或喷气发动机的透平中燃烧产生热能。近年来能源危机加剧及减排颗粒物排放以保护环境意识提高,促使研究者们采用新的技术提高化石燃料的燃烧效率,其中对单个液滴燃烧物理过程的深刻了解是改进喷雾燃烧为特征的内燃机能量利用效率的基本。碳烟颗粒的形成对液滴燃烧过程有着非常重要的影响，其中颗粒的辐射效应比较显著，碳烟颗粒的形成强烈地影响到火焰中其他气相组分的扩散，尤其是燃料蒸汽与氧化剂的扩散速率，火焰面与液滴表面之间的距离对液滴表面蒸发起到了非常关键的作用，因此开展碳烟颗粒模型的研究变得十分必要及紧迫，本文将从碳烟颗粒的成核、长大及团聚等过程出发，建立了一套半经验的碳烟颗粒模型，并通过与现有实验结果的比较，验证了这套碳烟颗粒模型的准确性，并有效地预测了火焰温度、碳烟体积分数及碳烟颗粒粒径分布，通过改变环境中的含氧量及温度等初始条件，准确预测了碳烟体积分数的空间分布。为了更好地提高液滴燃料的燃烧效率，并有效控制碳烟颗粒物的形成，本文提出了利用外加电场的新技术来实现这一目标，通过施加外加电场，从实验测量的角度描述电场与火焰中自由离子的相互作用，利用外加电场能够有效地改变正癸烷液滴燃烧特性，本文从火焰形貌、燃烧速率常数以及碳烟颗粒等参数来揭示外加电场对液滴燃烧特性的作用规律，分析表明火焰中除了考虑电场作用下的正离子所产生的“离子风”的作用外，还需要考虑负离子所产生的“离子风”的作用，这样才能合理解释火焰形貌及燃烧速率常数受电场的影响。此外火焰中的碳烟颗粒对液滴燃烧的影响非常显著，电场作用加速碳烟颗粒的氧化过程，碳烟颗粒的减少造成对外辐射换热量的减少，从而影响燃烧速率常数的变化。最后本文系统研究比较了不同燃料种类的液滴在电场作用下的燃烧特性，由于不同燃料种类燃烧时火焰中的碳烟颗粒的形成情况都不相同，因此受外加电场的作用也不尽一致，利用丙醇、正癸烷和柴油作为实验液滴燃料，燃烧时火焰形貌、燃烧速率及碳烟颗粒的形成均随着外加电场的作用而呈现出一定的实验规律，其中碳烟颗粒的辐射效应比较显著，对于三种不同种类的燃料液滴，无论电场方向与自然对流方向相同还是相反，随着两极板间电压的增大，LII辐射强度均有减小的趋势，说明碳烟颗粒浓度随着两极板间电压的增大而减少。
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摘要Abstract主要符号对照表第1章 引言1.1 课题背景及意义1.2 研究现状1.2.1 液滴燃烧的碳烟颗粒模型1.2.2 自然对流对液滴燃烧的影响研究1.2.3 外加电场对液滴燃烧的影响研究1.3 本文的研究目标与研究内容1.3.1 本文的研究目标1.3.2 本文的研究内容第2章 实验系统及方法2.1 液滴的悬挂方式2.2 外加电场作用下液滴燃烧的实验装置2.3 LII 激光测量系统2.4 数据处理方法2.4.1 燃烧速率常数2.4.2 火焰形貌2.4.3 LII 信号强度2.5 本章小结第3章 液滴燃烧的碳烟颗粒模型研究3.1 气相模型3.2 液相模型3.3 碳烟颗粒及气相介质辐射模型3.4 初始条件和边界条件3.5 碳烟颗粒模型3.6 数值求解3.7 计算结果与分析过程3.8 本章小结第4章 电场作用下正癸烷液滴的燃烧特性研究4.1 电场作用下液滴燃烧的实验装置4.2 自然对流与电场方向相同的实验结果4.2.1 火焰形貌受外加电场的影响4.2.2 燃烧速率常数受外加电场的影响4.2.3 LII 信号强度受外加电场的影响4.3 自然对流与电场方向相反的实验结果4.3.1 火焰形貌受电场的影响4.3.2 燃烧速率常数受外加电场的影响4.3.3 LII 信号强度受外加电场的影响4.4 结果分析与讨论4.4.1 火焰形貌4.4.2 燃烧速率常数4.4.3 电场力与浮升力的平衡4.4.4 碳烟颗粒的作用4.5 本章小结第5章 碳烟颗粒对液滴燃烧特性影响的实验研究5.1 自然对流与电场方向相同的实验结果5.1.1 三种不同燃料液滴燃烧时火焰形貌受外加电场的影响5.1.2 三种不同燃料液滴燃烧速率常数受外加电场的影响5.1.3 正癸烷和柴油液滴碳烟颗粒受外加电场的影响5.1.4 结果分析与讨论5.2 自然对流与电场方向相互垂直的实验结果5.2.1 三种不同燃料液滴火焰形貌受外加电场的影响5.2.2 三种不同燃料液滴燃烧速率常数受外加电场的影响5.2.3 结果分析与讨论5.3 本章小结第6章 总结6.1 本文的研究内容与主要结论6.2 本文的学术创新点6.3 未来进一步研究的建议参考文献致谢个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
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