用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度

激光诱导炽光法作为一种非接触激光诊断技术,可以用来测量火焰中的二维碳烟体积分数分布,具有高的时间和空间分辨率.对于定量碳烟体积分数测试,需要对LII信号进行校准,来获得绝对的二维碳烟体积分数分布.近年来一种基于双色测温原理的校准方法由于具有实现简单、测试精度高、可以在线进行标定等特点得到推广和使用.搭建了一套LII二维测试系统,获得了乙烯扩散火焰的碳烟体积分数分布二维图像.根据双色测温原理采用校准系统,对二维碳烟分布图像进行标定,获得绝对碳烟体积分数.结果显示,乙烯火焰中的碳烟最浓区分布在火焰的外侧,碳烟体积分数随火焰高度增加而增大,达到最大值后碳烟体积分数在氧化作用下开始逐渐降低,直至完全消失.研究结果验证了此套LII测试系统的有效性,可以用来进行碳烟体积分数定量测试.

利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数

激光诱导炽光(LII)法是一种用于测量火焰中碳烟体积分数的光学测试方法.本文介绍了LII的基本原理以及LII实现定量测量的常见标定方法,建立了一套基于双色法-激光诱导炽光法(2C-LII)的用于柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数定量测量的测试系统,该测试系统采用双成像原理,可以实现多点标定和全视场范围内的碳烟体积分数测量.在一台工作在1200 r?min-1、喷油量21 mg的光学单缸柴油机上,研究了60、100和140MPa三个不同喷油压力下,缸内燃烧过程碳烟的分布情况,结果表明,碳烟自发光出现在燃烧放热率峰值之后,且随着喷油压力提高,碳烟发光持续期缩短,碳烟发光强度降低.测试区域内火焰中的碳烟体积分数范围约为0-50×10-6.不同喷油压力下,碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化三个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是:5×10-6-9×10-6,15×10-6-20×10-6和14×10-6-16×10-6.喷油压力提高后火焰中的碳烟分布区域面积增大,平均碳烟体积分数减小,碳烟体积分数的空间分布趋于均匀.

基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性

采用激光诱导炽光法(LII),对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布图像进行了测量分析,研究了在不同定容室环境温度、环境压力和喷射压力下燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成与分布的影响规律.结果表明:柴油燃料滞燃期会随环境温度和环境压力的升高而缩短;扩散燃烧火焰的浮起长度内空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,高的环境温度和环境压力,以及低的喷油压力会产生较短的柴油火焰浮起长度;高的柴油喷射压力、低的环境压力和温度所产生的LII信号强度较弱,即此时激光片光内的碳烟体积分数较小.在喷雾混合中自然形成的混合气浓度分层和温度分层,既影响到混合气的着火和燃烧过程,又诱发碳烟颗粒的产生,研究结果对优化燃烧系统设计,验证燃烧模型提供了有价值的依据.

基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展

激光诱导炽光法(Laser Induced Incandesence,LⅡ)是一种非接触式的光学诊断方法,可获得激光片光照射薄层内瞬时碳烟的二维分布,具有较高的时间与空间分辨率,已经成为一种重要的碳烟测量技术。本文首先介绍了LⅡ技术的发展历程和基本原理,然后从数值模拟、定性和定量测量3个方面详细综述了LⅡ用于碳烟测量的技术方法以及国内外的研究进展,并对今后的发展提出了建议。实现定量测量的标定方法主要有采样法、LⅡ结合消光法(Light Extinction Method,LEM)和双色法LⅡ(2-Color Laser Induced Incandesence,2C-LⅡ),其中2C-LⅡ因实现相对简单,可以在线实时标定,因此在国内外获得了较大的发展。本文通过总结国内外LⅡ技术在测量碳烟方面的研究成果,希望让国内同行了解该方法的研究现状以及该方法在揭示碳烟生成氧化机理方面的重要作用,为其今后的发展提供一些参考。

基于二维激光诱导炽光法的棉籽油扩散火焰碳烟生成特性

搭建了一套二维激光诱导炽光测试系统,获得乙烯扩散火焰的碳烟体积分数,并将其与单点标定激光诱导炽光法和消光法得到的测试结果比对,验证了该测试系统的有效性.在一台液体燃烧器上,应用二维激光诱导炽光法研究棉籽油掺混比对柴油层流扩散火焰碳烟生成的影响.结果表明:随掺混比的增加,最大碳烟体积分数以及碳烟总量呈现降低趋势.在轴心方向上随火焰高度的增加,碳烟体积分数逐渐增加,在中部达到最大值,随火焰高度的进一步增加,碳烟体积分数开始降低.径向上的碳烟浓度峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向火焰中心移动,且峰值先增加后降低.

激光诱导炽光法定量测量碳烟

利用激光诱导炽光法和高温双色法相结合,得出碳烟体积分数的量化结果;利用碳烟炽光信号衰减速率和炽光物理模型分析得出碳烟粒径的量化结果.分析讨论了LII模型对于不同压力范围内模型的适用性.搭建了LII测试系统,在一台协流部分预混燃烧器上开展了实验,燃料以正庚烷和甲苯作为基础,分别添加乙醇和正丁醇.实验结果显示,含氧燃料的添加有效降低了火焰中碳烟的生成量,同时验证了LII测试系统及定量测试方法的实用性.

激光诱导炽光法与消光法诊断烧蚀羽烟消光性能

为了研究流场中碳纤维增强环氧树脂复合材料在激光辐照时产生的烧蚀羽烟对入射激光的屏蔽效应,通过对朗伯-比尔定律进行分析,得到了评价羽烟消光性能的平均质量消光系数的表达式,其与羽烟场浓度和激光透过率相关。采用激光诱导炽光法(LII)和激光消光法,搭建了羽烟消光性能联合诊断实验平台,使待测激光落于LII的激发光平面上,通过同步采集待测激光的透过率和LII信号,获得激发光平面上羽烟浓度场和激光消光比,得到羽烟在不同气流速度下的平均质量消光系数。实验得到气流速度为7,10,20m/s时羽烟对1064nm激光的归一化质量消光系数分别为2.51,1.08,1.00。实验发现,质量消光系数受到气流速度影响,当气流速度较低时质量消光系数曲线波动幅度大,且曲线均值较大;当气流速度较高时质量消光系数趋于稳定且均值较小。

双色激光诱导炽光法结合光腔衰荡光谱技术测量碳烟颗粒的研究

基于激光诱导炽光(LII)法和光腔衰荡光谱(CRDS)技术,搭建了用于研究火焰碳烟颗粒的测量平台,并对其性能参数进行了表征。碳烟颗粒路径积分衰减系数测量结果表明,双色LII测试系统和CRDS系统相互独立。同时运行双色LII和CRDS系统,测量得到的路径积分衰减系数随着火焰高度的增加先增大后减小,两个系统的测量结果具有较好的相关性。通过优化拟合模型及去除系统噪音,获得了较好的光腔衰荡信号拟合结果。

基于LII法醇类燃料GDI发动机的碳烟生成机制

为研究醇类燃料对汽油直喷(GDI)发动机缸内燃烧过程中碳烟生成的影响,应用双色激光诱导炽光(TCLII)法,通过一台单缸GDI光学发动机,对燃用甲醇混合燃料(M20)和乙醇混合燃料(E20)的缸内碳烟分布进行了二维定量测量.结果表明:与燃用纯异辛烷(I100)相比,M20和E20的缸内压力峰值和放热率峰值均有所增加,对应的曲轴转角提前.对于LII测量,M20与E20对缸内碳烟生成的影响呈相反的趋势;E20的最高碳烟体积分数略高于I100,M20的碳烟体积分数是3种测试燃料中最低的,显著低于E20和I100;在测量平面上,I100的碳烟分布不均匀,在靠近进气门的一侧碳烟较多,M20和E20的碳烟分布相对比较均匀.根据排气微粒测量结果,M20和E20的微粒总数量浓度均显著减少.

基于LII技术的发动机缸内碳烟测量平台设计

设计并建立了LII技术结合双色法的碳烟定量测量系统,通过层流扩散火焰测试平台验证了LII测量系统的准确性。在光学发动机上应用该技术测量了不同循环喷油量下缸内碳烟体积分数分布,并研究了汽油直喷(GDI)发动机缸内碳烟的生成及发展历程。结果表明,45.5 mg/c工况下所测得的碳烟最多,并且碳烟主要集中在活塞顶面附近且靠近喷油器一侧。对于5和10 mm 2个测量平面,缸内碳烟分别在32℃A ATDC和42℃A ATDC时刻达到最大值,之后由于氧化作用而逐渐减少。该LII缸内碳烟测量系统可以实现发动机燃烧过程中缸内碳烟分布的定量测量,为控制发动机微粒排放提供技术支持。

正庚烷喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量

激光诱导炽光法(LII)是研究火焰中碳烟体积分数和粒径的重要光学测试方法,但要实现碳烟体积分数的定量测量尚有很大难度.建立了用激光消光法(LEM)进行定量标定的LII测试系统,在定容燃烧弹中实现了喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量.结果表明,将LII和LEM的测试结果相关联,可以用来判定每一次LII测试是否受到了信号俘获现象的影响,通过合理去除无效点,可以有效地降低信号俘获现象对标定结果的影响.应用该测试系统研究了正庚烷喷雾扩散火焰的碳烟生成特性,当初始环境温度从800,K升高至823,K时,正庚烷喷雾扩散火焰中的峰值碳烟体积分数升高,并且碳烟初始生成位置更靠近喷嘴.

掺混甲醇对汽油层流扩散火焰碳烟生成的影响

在一台协流扩散燃烧器上,应用双色激光诱导炽光法(TC-LII)得到了火焰内二维碳烟体积分数分布.在燃料流量和碳流量一定时,研究了甲醇掺混比对汽油火焰碳烟生成的影响.结果表明:燃料流量一定时,与纯汽油相比,M20(甲醇体积分数为20%),、M40、M60和M80的峰值碳烟分别降低了50.7%,、74.8%,、91.0%,和97.8%,,平均碳烟分别降低了53.4%,、85.6%,、97.3%,和99.8%,.碳流量一定时,峰值和平均碳烟的降幅相比燃料流量一定时略有降低.这表明燃料流量一定时,甲醇掺混引发的碳元素质量流量的降低对碳烟降低的贡献很小,甲醇对碳烟的降低主要通过对燃料中芳烃的稀释作用及化学反应动力学的影响.火焰整体碳烟生成的起始高度随甲醇掺混比的增加而升高.火焰中心碳烟的起始高度在燃料流量一定时,随甲醇掺混比的增加而降低,碳流量一定时,随甲醇掺混比的增加略有升高.火焰中心碳烟体积分数随高度的增加,呈3段变化趋势.不同高度上,火焰径向碳烟峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向中心移动,且峰值先增加后降低.

柴油掺混PODE_n的燃烧和碳烟生成可视化

聚甲氧基二甲醚(PODE_n)是一种柴油添加剂,近年来煤化工制备PODE_n的工艺获得突破,使得PODE_n具备了大规模应用的条件.由于高氧质量分数和高十六烷值的特点,PODE_n可显著降低柴油机碳烟排放.在高温、高压定容燃烧弹上利用OH化学发光摄影、激光消光法(LEM)标定的激光诱导炽光法(LII)等可视化方法测量了柴油和PODE_n/柴油混合燃料(PODE_n体积分数为10%、20%和30%,,记作P10、P20和P30)的火焰浮起长度和碳烟体积分数(SVF)二维分布.结果表明:随PODE_n比例提高,火焰中碳烟体积分数明显下降,P10、P20和P30的碳烟体积分数最大值相对柴油分别下降32.0%,、53.7%,和71.3%,,平均值分别下降28.9%,、48.8%,和67.6%,,说明添加较低比例PODE_n可使柴油燃烧的碳烟生成趋势明显降低.不同燃料的火焰浮起长度差别不大,说明较低比例的PODE_n不会对油束的着火性造成显著影响.随PODE_n比例提高,碳烟初始生成位置到喷嘴距离增加,碳烟的初始生成点和体积分数峰值区均由火焰两侧向中心转移.

主碳链长度对脂肪酸甲酯扩散火焰碳烟生成及其演变规律的影响

研究主碳链长度对于脂肪酸甲酯的同轴层流扩散火焰中碳烟的生成及其演变规律的影响.针对丁酸甲酯、辛酸甲酯及癸酸甲酯扩散火焰,采用激光诱导炽光法,结合热泳探针取样后的透射电子显微镜图像,分析火焰中碳烟体积分数的2维分布及碳烟颗粒的形貌特征.实验结果表明:随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯扩散火焰的碳烟体积分数增大,碳烟的生成与积聚更为提前,表面生长速率更快;通过化学反应动力学模拟3种脂肪酸甲酯的热解氧化反应,验证了激光诱导炽光法的实验结果;随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯的热解起始温度有所降低,C2H2、C2H4等中间物质的产生有所增加,多环芳香烃的生成速率更快;通过对苯环生成路径的敏感性分析可知,在丁酸甲酯热解中,第1个苯环的形成主要为C4+C2的生成路径,而辛酸甲酯、癸酸甲酯热解中苯的形成有C4+C2、C3+C3两种生成路径,且C3+C3生成路径占主导地位.

低压下典型可燃液体层流扩散火焰碳烟分布规律研究

对正己烷、正庚烷、正辛烷三种不同含碳量的可燃液体进行了燃烧实验,利用一台压力范围为40 kPa～101kPa的低压燃烧设备,分析了其在低压下的火焰高度、宽度及其与压力的关系,发现上述3种可燃液体的火焰高度均随压力升高而增加,火焰宽度随压力增加而减小。利用激光诱导炽光法研究了压力对三种可燃液体碳烟浓度分布的影响,包括不同高度下的径向碳烟浓度、轴向碳烟浓度和碳烟浓度峰值,结果表明低压下可燃物含碳量越高、压力越大,碳烟浓度越高;碳烟浓度峰值与压力成指数关系。

正癸烷/正丁醇同轴层流扩散燃烧火焰中碳烟生成特性研究

采用双色激光诱导炽光法及平面激光诱导荧光法,测量了碳烟体积分数、PAHs和OH的分布特性,探究了添加正丁醇对正癸烷层流扩散火焰中碳烟生成的影响规律.结果表明,火焰中碳烟体积分数随轴向高度和径向位置变化均呈现先增大后减小的趋势;随正丁醇增加,碳烟体积分数降低、分布范围减小.火焰中小分子、大分子PAHs和碳烟沿轴向依次分布,表明PAHs是碳烟生成的重要前驱物;OH集中分布于碳烟分布区外侧低浓度区域,对碳烟氧化具有关键作用.掺混正丁醇后,正癸烷火焰中PAHs生成降低,抑制了碳烟的生成;OH浓度升高,促进了碳烟氧化,最终导致碳烟生成量降低.

LII信号延迟与石蜡燃烧碳烟生成的研究

为了研究扩散火焰中的碳烟体积分数的分布,搭建了一套激光诱导炽光(LII)二维测试系统,同时,为了尽可能地排除干扰火焰稳定的因素,特选用石蜡作为研究对象,对不同激光能量对应的炽光信号延迟和火焰图像进行了对比分析。研究结果表明,激光波长532 nm、脉冲能量30 m J、能量密度0.2 J/cm2所对应的炽光信号延迟为最佳延迟,其延迟时间为158μs。基于双色测温原理并结合激光诱导炽光法对碳烟的分析结果表明,大气环境压力下,石蜡火焰中二维碳烟体积分数分布在火焰中部呈M型双峰分布,且在两侧最外围和中间碳烟体积分数为0。利用MATLAB建立的碳烟体积分数计算数学模型可用于分析炽光信号曲线和火焰图像的分析。

碳氢火焰中碳黑检测方法评述

碳氢燃料不完全燃烧所产生的碳黑是一种仅次于二氧化碳的温室物质,开展碳氢火焰中碳黑的检测研究对于充分理解碳黑生成机理、控制碳黑排放有着重要的作用.本文综述了碳氢火焰中碳黑检测的常用方法,包括:热泳探针取样及电镜分析、热电偶颗粒密度法、消光法、激光诱导炽光法、双色法、发射CT法,并详细介绍了各种检测方法的基本原理及应用状况.碳黑检测的发展趋势是要实现对碳氢火焰中温度、碳黑浓度、碳黑尺寸等多参数的多维分布的在线检测;不仅要面向实验室小型燃烧火焰,还要面向工业应用中大尺度火焰;而且对于高压、零重力、微重力等燃烧火焰也要提供合适的检测手段.

基于YSI数据库及ANN算法预测模型燃料成烟倾向

本文针对模型燃料的成烟倾向测试及预测开展研究。首先基于激光诱导炽光法,在同轴层流扩散火焰平台上完成了151种模型燃料和21种纯净物的二维碳烟体积分数测试。实验结果被量化为燃料成烟指数YSI,并系统地构建了燃料成烟指数数据库。基于该数据库,分别采用线性预测法、人工神经网络法(ANN)和本研究开发的碳烟优化版人工神经网络法(S-ANN)对YSI进行了学习和预测。结果表明S-ANN在性能指标上显著超过前两种方法,该方法在燃料成烟倾向预测方面具有工程应用潜力。