利用激光吸收光譜測量火焰中的碳煙顆粒濃度、溫度以及氣體濃度

1、利用激光吸收光譜測量火焰中的碳煙顆粒濃度、溫度以及氣體濃度燃燒過程是化學反應和物理變化耦合的極其復雜的反應系統(tǒng), 對燃燒過程中的溫度、氣體組分濃度以及碳煙顆粒濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)準確可靠的在線監(jiān)測 , 以及對多種參數(shù)空間分布的同時測量與重建 , 對優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計、 提高能量利用效率等有著重要的現(xiàn)實意義。此外 , 對燃燒過程中的多種關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)同時在線監(jiān)測 , 對理解燃燒過程中的碳煙等污染物的生成機理也有著非常重要的幫助。在此背景之下 , 本文開展了火焰中氣固兩相多種參數(shù)同時測量以及燃燒場中多種參數(shù)空間分布重建的研究 , 并且將新型的多參數(shù)同時測量方法應用碳煙顆粒生成的相關(guān)化學反應機理研究中

2、。 本文首先對研究過程中的分子吸收光譜技術(shù)的基本原理及各重要參數(shù)進行了詳細闡述。對基于吸收光譜技術(shù)的不同測量方法的特點及其適用范圍進行了討論 , 包括掃描波長直接吸收測量方法、 固定波長直接吸收測量方法以及波長調(diào)制測量方法等。此外 , 還詳細介紹了用于固體顆粒測量的 Mie 散射理論及其近似求解方法Rayleigh 散射理論。其次 , 研究了對高溫環(huán)境下多種氣體的溫度和濃度的同時測量。選擇位于4996 cm-1 附近的 CO₂吸收譜線作為本實驗研究過程中高溫下CO₂溫度和濃度同時測量的目標譜線對。對吸收

3、池內(nèi)不同溫度工況（873 K1273 K）下不同 CO₂濃度（ 4%10%）的 CO₂/N2混合氣體的溫度以及 CO₂濃度的進行了同時在線測量 , 溫度值與設(shè)定溫度值相比 , 平均偏差為 2.07%, 峰值偏差為3.49%; 測量得到 CO₂氣體濃度值與配比濃度值相比, 平均偏差為2.25%, 峰值偏差為 4.75%。同時在實驗室對不同燃燒工況下的乙烯/ 空氣預混火焰中的 CO<sub>2</s

4、ub>濃度、溫度以及H₂O濃度進行了實驗測量 ,得到的溫度結(jié)果與熱電偶測量結(jié)果十分接近, 兩者平均偏差為 0.6%, 峰值偏差為3.9%; 測量得到的 CO₂和 H₂O度值與理論計算值吻合良好。測量結(jié)果表明該波長位置處的CO₂吸收譜線非常適用于高溫環(huán)境下濃度和溫度的同時測量。 提出了在同時考慮氣體吸收作用、碳煙顆粒吸收作用以及火焰自身輻射的情況下, 采用單臺可調(diào)諧半導體激光器同時測量并分離氣體吸收系數(shù)和碳煙

5、顆粒吸收系數(shù)的新方法, 并且詳細介紹了理論推導和計算過程。對不同預混氣體流速和不同燃燒當量比工況下的乙烯/ 空氣預混平面火焰中不同高度位置處的碳煙顆粒濃度、溫度以及H₂O濃度實現(xiàn)了同時在線監(jiān)測。溫度測量結(jié)果與熱電偶測量結(jié)果之間平均偏差小于3%,峰值偏差小于 5%。碳煙顆粒濃度測量結(jié)果與其他研究學者的測量結(jié)果相吻合。H₂O濃度測量的結(jié)果與理論計算結(jié)果相比, 平均偏差為 5%,峰值偏差小于 10%。此外 , 在實驗室內(nèi)搭建了擴散火焰燃燒試驗臺, 利用自行設(shè)計并加工制造的改進型 Wolfhard-Parker

6、燃燒器 , 產(chǎn)生了穩(wěn)定燃燒的矩形乙烯/ 空氣擴散火焰?；诒疚奶岢龅幕鹧嬷袣夤虄上喽鄥?shù)同時在線監(jiān)測的新方法, 采用三臺中心工作波長分別位于 1398.3 nm 、 2001.6 nm 以及 2302 nm 處的可調(diào)諧半導體激光器,對擴散火焰中溫度、碳煙濃度、H₂O濃度、CO濃度以及 CO₂濃度進行了同時測量。分析和討論了 H₂O 和 CO₂對火焰中碳煙生成的影響。得出了 H<sub>2</su

7、b>O 和 CO₂能夠抑制火焰中碳煙的生成, 且抑制作用主要是由于H₂O和 CO₂的存在導致了火焰中OH濃度的升高 , 從而抑制了碳煙氣態(tài)前驅(qū)物PAHs的生成這一重要結(jié)論。實驗測量結(jié)果和得出的結(jié)論與其他研究學者基于化學反應動力學提出的數(shù)值模擬計算結(jié)果相吻合 , 為碳煙生成機理的相關(guān)研究提供了實驗數(shù)據(jù)支撐。最后 ,將火焰中多參數(shù)同時測量技術(shù)與層析成像技術(shù)相結(jié)合, 對燃燒環(huán)境中火焰的溫度、H₂O濃度以及碳煙顆粒濃度等多種參數(shù)的空間分布進行同時重建。搭建了預混火焰燃燒試驗臺, 提出相關(guān)的重建模型 , 利用單臺可調(diào)諧半導體激光器結(jié)合光纖分束技術(shù), 采用 ART算法 , 對不同燃燒工況、不同高度測量平面內(nèi)的甲烷 / 空氣預混火焰中的溫度和H₂O濃度的二維分布進行了同時重建。此外 , 搭建了軸對稱擴散火焰燃燒試驗臺,