基于Monte Carlo方法的柴油机碳烟颗粒物演变过程研究

摘要

近几年，全国各地严重雾霾天气频发，人们越来越关注空气污染问题。碳烟颗粒作为柴油机主要排放物，是空气污染的直接污染源。大量碳烟颗粒存在于大气中不仅会降低空气能见度、污染水质等，还会对人类身体健康构成极大危害。碳烟颗粒结构、化学组成越复杂以及颗粒尺寸越小（渗透力越强），对人体健康危害就越大。碳烟生成过程十分复杂，涉及气相化学反应和颗粒动力学演变过程。目前关于碳烟颗粒生成机理的研究主要集中在气相化学反应详细机理上，理论方法和实验手段比较成熟，对于碳烟颗粒动力学演变的研究仍以宏观实验手段为主。
　　本文首先简单介绍了碳烟模型发展历程，分析各种碳烟模型优缺点；随后对颗粒群平衡模拟理论和其数值解法进行了介绍；本文第三章基于颗粒群平衡模拟理论，通过结合含有芘分子（A4）生成的详细化学反应机理，并采用Monte Carlo随机算法求解颗粒群平衡方程，应用Fortran语言编程，搭建了模拟碳烟生长演变过程的计算平台。运用搭建的计算平台详细模拟了均匀搅拌器（PSR）和一维稳态层流预混火焰中碳烟生成情况，获得了碳烟颗粒数密度、体积分数等相关信息，并详细分析了各动力学事件（如成核、凝并、表面反应等）演变规律，以及碳烟颗粒尺寸分布（PSDF）演变信息。同时，本文模拟了不同当量比与二氧化碳添加时碳烟的生成情况，详细地分析了当量比和二氧化碳添加对碳烟颗粒动力学演变过程的影响规律，获得了相应碳烟颗粒数密度、体积分数以及尺寸分布等相关信息。结果表明，随着当量比的增大，碳烟颗粒物数密度和体积分数均呈现增大的变化趋势，生成碳烟量增多。二氧化碳添加抑制了碳烟成核过程的发生，减弱了碳烟颗粒表面生长过程，增强了O2和活性基OH对碳烟的氧化，导致碳烟颗粒数密度和体积分数均降低。随着二氧化碳添加比例加大，碳烟颗粒尺寸分布呈现出第一个波峰降低，第二个波峰向着粒径较小方向移动的变化趋势。二氧化碳添加对碳烟生成起到一定抑制作用。
　　本文从理论方面对碳烟颗粒生长演变过程进行了系统研究，研究结果可为更好地了解碳烟生成机制提供参考，对燃烧过程中碳烟颗粒排放控制有着重要意义和价值。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 选题的意义及研究内容

第2章 碳烟模型的发展与颗粒群平衡模拟理论

2.1 碳烟模型的发展

2.2 颗粒群平衡模拟理论（PBM）

2.3 本章小结

第3章 碳烟生长模型的建立

3.1 气相反应动力学

3.2 碳烟颗粒动力学

3.3Monte Carlo随机算法

3.4 本章小结

第4章 均匀搅拌器中碳烟颗粒演变过程数值模拟

4.1 模拟工况参数设置

4.2 气相组分浓度分析

4.3 碳烟颗粒物动力学演变过程分析

4.4 本章小结

第5章 层流预混火焰中碳烟颗粒演变过程数值模拟

5.1 层流预混火焰模型

5.2 层流预混火焰中碳烟生长演变过程计算平台

5.3 碳烟颗粒尺寸分布函数

5.4 层流预混火焰碳烟生成数值模拟

5.5 不同当量比下碳烟生成及尺寸分布情况

5.6 CO2添加对碳烟生成及尺寸分布的影响

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与论文相关的科研成果