轴对称层流扩散火焰温度和烟黑体积浓度检测方法研究

论文摘要

烟黑颗粒是化石燃料燃烧产生的污染物之一,是没有实现的燃料化学能,它的表面吸附有多环芳烃PAH,具有诱变性与致癌性,因此控制烟黑颗粒的排放不仅关系到燃烧设备中碳氢燃料的有效利用,还关系到环境的保护与人类的健康。要对烟黑颗粒的排放进行有效的控制,首先要深入研究生成烟黑的各种燃烧现象和燃烧过程,在这方面起决定作用的是各种各样迅速发展的燃烧诊断技术,因此,本文选择从燃烧诊断方法入手,以实验室火焰为研究对象,研究各种新型的测量火焰温度和烟黑颗粒体积浓度的方法,包括对已有方法的改进以及提出原创性的新方法,为日后开展烟黑颗粒的控制研究打下坚实的基础。热电偶颗粒密度法(TPD)是本文研究的第一种方法,它是近几年提出来的一种测量火焰温度和烟黑体积浓度的新方法,主要通过将细丝热电偶快速插入到火焰中并停留一段时间,待烟黑颗粒在热电偶节点表面沉积并记录下这段时间内节点温度的响应值,然后通过一组公式的转换从记录的温度响应值中计算出火焰温度和烟黑体积浓度,因此它属于一种接触式测量方法,在计算过程中需要用到节点暂态能量平衡方程和烟黑颗粒的热泳沉积率方程。本文采用这种方法对一个层流同流非预混实验室火焰进行了测量,验证了该方法测量火焰温度与烟黑体积浓度的可行性。由于这种方法在建立节点暂态能量平衡方程时,忽略了一些对节点能量平衡会产生重大影响的参数,如节点与热电偶偶丝的导热,烟黑颗粒投射到节点表面的辐射和节点因温度变化产生的内生热等,同时在利用烟黑颗粒的热泳沉积率方程进行计算时,采用了一些烟黑颗粒特性方面的不确定性参数,如烟黑颗粒团的尺寸,密度等,在本文中采用数值计算的方法,利用节点暂态能量平衡方程和烟黑颗粒的热泳沉积率方程模拟节点插入火焰后的温度响应过程,分析这些被忽略的参数和不确定性参数对节点温度输出响应产生的影响,模拟结果显示节点与热电偶偶丝的导热和烟黑颗粒投射到节点表面的辐射都是节点能量的重要来源,在节点暂态能量平衡方程中忽略它们会使节点温度响应值严重偏离火焰真实温度值,从而给火焰温度计算带来较大误差,而烟黑颗粒团密度的不同取值也会使节点温度响应数据发生变化,而节点温度响应是计算烟黑体积浓度的直接输入数据,因此不准确的烟黑颗粒团密度值也会给烟黑体积浓度计算带来较大误差。根据模拟研究的结果,本文也对TPD方法进行了初步的改进分析研究,即将烟黑颗粒投射到节点表面的辐射热量和节点因温度变化产生的内热这些在传统TPD方法中被忽略的参数加入到节点能量平衡方程里面去,并从新的节点能量平衡方程中推导出烟黑颗粒沉积率公式而发展出了一种新的计算烟黑沉积率的方法,这种方法不需要采用热泳沉积假定,相对于传统TPD方法更科学,而且通过分析发现传统TPD方法中的热泳沉积假定在节点温度响应的“变发射率阶段”并不成立,但这种方法目前还不能得到烟黑体积浓度值,因此还需要进一步的发展与完善。发射光谱法是本文研究的第二种方法,这种方法通过光谱检测仪器测量特定波段内的火焰发射光谱辐射强度值,然后通过各种重建算法从测量值中计算出火焰温度和烟黑体积值。本文针对前人在研究中采用的各种重建算法在面对较复杂火焰对象时处理效果不佳的问题,提出了一种基于正则化方法为的新算法,并通过数值模拟研究验证了这种方法处理轴对称层流扩散火焰的有效性,模拟结果显示与Abel逆变换这种传统重建算法相比,新算法的重建精度明显提高。本文同时也对前人研究中经常采用“光学薄”假定进行了分析,通过提出的一种迭代方法重建了非“光学薄”假定火焰的温度和烟黑体积浓度,结果显示在火焰中烟黑体积浓度不大的情况下(小于10ppm),这种假定对火焰温度和烟黑体积浓度的重建精度影响不大,但当火焰中烟黑体积浓度增加到一定程度(大于30ppm),则这种假定会引起较大的重建误差。在模拟研究的基础上,本文又将这种新的算法应用到真实的轴对称层流扩散实验室火焰温度和烟黑体积浓度的重建中,从实验结果来看,这种算法能够很好的重建出真实火焰中的温度和烟黑体积浓度分布,因此是一种适合于实际应用的好方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 烟黑颗粒的特性
• 1.3 火焰温度与烟黑颗粒测量技术
• 1.4 本文的主要内容
• 2 利用热电偶颗粒密度法（TPD）测量火焰温度与烟黑体积浓度
• 2.1 引言
• 2.2 热电偶颗粒沉积法（TPD）的理论基础
• 2.3 实验设备和测点分布
• 2.4 结果分析与讨论
• 2.5 本章小结
• 3 TPD方法测量火焰温度和烟黑体积浓度的误差分析
• 3.1 引言
• 3.2 热电偶测温的基本原理及误差来源分析
• 3.3 烟黑投射辐射和节点与偶丝导热对节点温度响应的影响
• 3.4 烟黑结构特性中的非确定因素对节点温度响应的影响
• 3.5 本章小结
• 4 传统TPD方法初步改进研究
• 4.1 引言
• 4.2 TPD方法的改进计算模型
• 4.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 基于辐射逆问题求解重建火焰温度与烟黑体积浓度
• 5.1 引言
• 5.2 辐射传递逆问题的基本理论
• 5.3 重建光学薄假定轴对称火焰温度与烟黑浓度
• 5.4 重建非光学薄轴对称火焰的温度与烟黑浓度
• 5.5 本章小结
• 6 利用火焰发射光谱重建火焰温度与烟黑体积浓度
• 6.1 引言
• 6.2 火焰发射光谱测量实验平台
• 6.3 火焰发射光谱强度标定过程
• 6.4 结果分析
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 未来研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位论文期间发表的论文