首页> 中文学位 >利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓度
【6h】

利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓度

代理获取

目录

声明

致谢

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题的背景和意义

1.3可调谐半导体激光吸收技术

1.4火焰中碳烟颗粒的测量

1.5碳烟颗粒的生成机理及其影响因素

1.6本文主要研究内容

第二章 测量的基本原理

2.1 引言

2.2 Beer-Lambert定律

2.3 线型函数

2.4 分子吸收光谱测量技术

2.5 Mie散射理论及Rayleigh近似求解

2.6 本章小结

第三章 高温环境下气体温度和浓度同时测量

3.1 引言

3.2 测量谱线的选择

3.3 气体吸收池中同时测量高温CO2的温度和浓度

3.4 预混平面火焰中同时在线测量CO2温度和浓度

3.5 本章小结

第四章 火焰中碳烟颗粒浓度、温度及气体浓度同时测量

4.1 引言

4.2 基本原理介绍

4.3 测量谱线的选择

4.4 实验系统介绍

4.5 预混火焰多参数同时测量实验

4.6 本章小结

第五章 水蒸气和二氧化碳对火焰中碳烟颗粒生成的影响

5.1 引言

5.2 实验系统及方法

5.3 水蒸气影响碳烟颗粒生成的实验研究

5.4二氧化碳影响碳烟颗粒生成的实验研究

5.5 本章小结

第六章 火焰中多种参数二维分布同时重建

6.1 引言

6.2 预混火焰中温度和H2O浓度二维分布同时重建

6.3 扩散火焰中温度、碳烟颗粒浓度及H2O浓度二维分布同时重建

6.4 本章小结

第七章 全文总结及工作展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 研究内容展望

参考文献

作者简历及攻读博士期间的研究成果

展开▼

摘要

燃烧过程是化学反应和物理变化耦合的极其复杂的反应系统,对燃烧过程中的温度、气体组分浓度以及碳烟颗粒浓度等多种关键参数实现准确可靠的在线监测,以及对多种参数空间分布的同时测量与重建,对优化燃烧系统设计、提高能量利用效率等有着重要的现实意义。此外,对燃烧过程中的多种关键参数实现同时在线监测,对理解燃烧过程中的碳烟等污染物的生成机理也有着非常重要的帮助。在此背景之下,本文开展了火焰中气固两相多种参数同时测量以及燃烧场中多种参数空间分布重建的研究,并且将新型的多参数同时测量方法应用碳烟颗粒生成的相关化学反应机理研究中。
  本研究主要内容包括:⑴对研究过程中的分子吸收光谱技术的基本原理及各重要参数进行了详细阐述。对基于吸收光谱技术的不同测量方法的特点及其适用范围进行了讨论,包括扫描波长直接吸收测量方法、固定波长直接吸收测量方法以及波长调制测量方法等。此外,还详细介绍了用于固体颗粒测量的Mie散射理论及其近似求解方法Rayleigh散射理论。⑵研究了对高温环境下多种气体的温度和浓度的同时测量。选择位于4996cm-1附近的CO2吸收谱线作为本实验研究过程中高温下CO2温度和浓度同时测量的目标谱线对。对吸收池内不同温度工况(873 K~1273 K)下不同CO2浓度(4%~10%)的CO2/N2混合气体的温度以及CO2浓度的进行了同时在线测量,温度值与设定温度值相比,平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到CO2气体浓度值与配比浓度值相比,平均偏差为2.25%,峰值偏差为4.75%。同时在实验室对不同燃烧工况下的乙烯/空气预混火焰中的CO2浓度、温度以及H2O浓度进行了实验测量,得到的温度结果与热电偶测量结果十分接近,两者平均偏差为0.6%,峰值偏差为3.9%;测量得到的CO2和H2O度值与理论计算值吻合良好。测量结果表明该波长位置处的CO2吸收谱线非常适用于高温环境下浓度和温度的同时测量。⑶提出了在同时考虑气体吸收作用、碳烟颗粒吸收作用以及火焰自身辐射的情况下,采用单台可调谐半导体激光器同时测量并分离气体吸收系数和碳烟颗粒吸收系数的新方法,并且详细介绍了理论推导和计算过程。对不同预混气体流速和不同燃烧当量比工况下的乙烯/空气预混平面火焰中不同高度位置处的碳烟颗粒浓度、温度以及 H2O浓度实现了同时在线监测。温度测量结果与热电偶测量结果之间平均偏差小于3%,峰值偏差小于5%。碳烟颗粒浓度测量结果与其他研究学者的测量结果相吻合。H2O浓度测量的结果与理论计算结果相比,平均偏差为5%,峰值偏差小于10%。⑷在实验室内搭建了扩散火焰燃烧试验台,利用自行设计并加工制造的改进型Wolfhard-Parker燃烧器,产生了稳定燃烧的矩形乙烯/空气扩散火焰。基于本文提出的火焰中气固两相多参数同时在线监测的新方法,采用三台中心工作波长分别位于1398.3 nm、2001.6 nm以及2302 nm处的可调谐半导体激光器,对扩散火焰中温度、碳烟浓度、H2O浓度、CO浓度以及CO2浓度进行了同时测量。分析和讨论了H2O和CO2对火焰中碳烟生成的影响。得出了H2O和CO2能够抑制火焰中碳烟的生成,且抑制作用主要是由于H2O和CO2的存在导致了火焰中OH浓度的升高,从而抑制了碳烟气态前驱物PAHs的生成这一重要结论。实验测量结果和得出的结论与其他研究学者基于化学反应动力学提出的数值模拟计算结果相吻合,为碳烟生成机理的相关研究提供了实验数据支撑。⑸将火焰中多参数同时测量技术与层析成像技术相结合,对燃烧环境中火焰的温度、H2O浓度以及碳烟颗粒浓度等多种参数的空间分布进行同时重建。搭建了预混火焰燃烧试验台,提出相关的重建模型,利用单台可调谐半导体激光器结合光纤分束技术,采用ART算法,对不同燃烧工况、不同高度测量平面内的甲烷/空气预混火焰中的温度和H2O浓度的二维分布进行了同时重建。此外,搭建了轴对称扩散火焰燃烧试验台,提出了适用于对轴对称扩散火焰的二维重建模型。在测量过程中,采用本文提出的火焰中气固多参数同时测量方法,结合LSQR算法,对火焰中的碳烟颗粒浓度、H2O浓度以及温度进行了同时重建。

著录项

相似文献

  • 中文文献
  • 外文文献
  • 专利
代理获取

客服邮箱:kefu@zhangqiaokeyan.com

京公网安备:11010802029741号 ICP备案号:京ICP备15016152号-6 六维联合信息科技 (北京) 有限公司©版权所有
  • 客服微信

  • 服务号