【摘 要】
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随着科技的不断进步,航空事业迅猛发展,而航空燃料燃烧生成的碳烟颗粒等主要污染物,对环境和人类社会造成影响。因此,深入了解航空燃料碳烟生成特性并提出控制碳烟生成的方法,对降低燃烧污染物排放具有重要意义。由于国产航空煤油RP-3的组成结构十分复杂,难以进行实验和构建化学动力学模型,因此采用理化特性相似且结构简单的替代燃料进行研究。本文选取正癸烷作为RP-3的替代燃料,辨识正癸烷对冲扩散火焰燃烧碳烟生成
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随着科技的不断进步,航空事业迅猛发展,而航空燃料燃烧生成的碳烟颗粒等主要污染物,对环境和人类社会造成影响。因此,深入了解航空燃料碳烟生成特性并提出控制碳烟生成的方法,对降低燃烧污染物排放具有重要意义。由于国产航空煤油RP-3的组成结构十分复杂,难以进行实验和构建化学动力学模型,因此采用理化特性相似且结构简单的替代燃料进行研究。本文选取正癸烷作为RP-3的替代燃料,辨识正癸烷对冲扩散火焰燃烧碳烟生成转捩点,进一步研究了正癸烷火焰碳烟生成转捩过程的燃烧化学,还探究了燃烧气氛对碳烟生成转捩过程的调控。首先,基于对冲扩散火焰开展正癸烷燃烧碳烟生成转捩点的辨识诊断研究,利用MATLAB提取火焰图像的RGB参数,根据RGB参数变化结合火焰图像分析,辨识诊断火焰燃烧碳烟生成转捩点。结果表明,增加氧浓度、减少稀释N2流量或增加燃料流量都会促进火焰中碳烟生成,控制三组参数单一变化,辨识得到碳烟生成转捩点对应工况分别为氧浓度38%、稀释N2流量420ml/min、燃料流量0.320ml/min。进一步探究CO2气氛对碳烟生成转捩点的调控,分别将氧化剂侧和燃料侧N2替换为CO2进行实验,得到氧化剂侧和燃料侧CO2气氛碳烟生成转捩点对应工况分别为氧浓度44%和42%。和N2气氛结果比较,转捩点向更高的氧浓度偏移,表明了CO2抑制了碳烟生成。其次,根据辨识出的碳烟生成转捩点,选取转捩点及其前后位置作为碳烟生成转捩过程,通过燃烧化学实验与化学反应动力学模拟相结合的方法,研究了正癸烷火焰碳烟生成转捩过程的燃烧化学。结果表明,在碳烟生成转捩过程中,增大氧气浓度、减少稀释N2流量或增加燃料流量均可以提高火焰温度并且促进主要燃烧产物和C1-C4稳定中间产物的生成,实验和模拟结果表现出较好的一致性。增加氧浓度、燃料流量或减少稀释N2流量还可以促进C4以上碳烟前驱物和重要自由基的生成,并且在一定程度上提升了这些物质主要生成反应的速率峰值。最后,根据辨识出的CO2气氛碳烟生成转捩点,选取转捩点及其前后位置作为CO2气氛碳烟生成转捩过程,进行燃烧实验和化学动力学模拟,将CO2气氛转捩过程的结果,与相同工况N2气氛结果对比,研究CO2对正癸烷火焰碳烟生成转捩过程的调控。结果表明,CO2替换在氧化剂侧和燃料侧后,火焰温度发生明显降低,主要产物H2和C1-C4稳定中间产物的生成明显减少,但生成的CO增多。氧化剂侧和燃料侧CO2还明显抑制了重要自由基和C4以上碳烟前驱物的生成,氧化剂侧CO2对生成自由基的抑制效果更加明显,两侧CO2还明显降低了这些物质主要生成反应的速率峰值。
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