甲烷扩散火焰中碳烟颗粒形貌及力学特性的研究

摘要

碳烟颗粒形成机理的研究可为燃烧颗粒物排放控制技术的发展提供理论依据和技术支持，目前已成为相关领域的研究热点。为了研究扩散燃烧过程中碳烟颗粒的生成、演化历程，进一步完善对燃烧颗粒物形成机理的认知，本文基于实验室甲烷/空气扩散火焰热泳探针取样系统，使用原子力显微镜（ Atomic force microscopy, AFM）研究了扩散火焰不同取样高度（Height above the burner, HAB）碳烟颗粒的三维形貌及力学特性。论文主要研究内容和结论如下：
　　通过对AFM图像的分析，取样点的碳烟颗粒可反映其在火焰中的形成、演化历程：单颗粒生长、凝并、团聚和氧化。
　　采用原子力显微镜研究了碳烟颗粒三维微观形貌随 HAB增加的演变规律，并对其中的单碳烟粒子形貌参数进行了提取分析，研究结果表明：当HAB从30 mm增加到45 mm时，单碳烟粒子平均粒径从8.72 nm增加到11.36 nm；当HAB>45 mm时，单碳烟粒子平均粒径随HAB的上升而逐渐降低。单碳烟粒子的球度比（Sphericity ratio, SR）主要分布在0.01-0.30之间，表明这些碳烟粒子的碳化程度较低，呈近液态（liquid-like）。SR随着颗粒体积当量直径(Equivalent volume diameter, ED)的增加而增加，且随HAB的增加，SR随ED的增加趋势更明显，说明单碳烟粒子的碳化程度与其大小和取样高度相关。碳烟颗粒圆度和碳烟颗粒紧密度的值分布分别介于0.464-0.484和0.671-0.694之间，并且随HAB的增加，圆度值先增大后减小、紧密度则单调升高，表明碳烟微粒结构随着HAB增加更紧凑。
　　单碳烟粒子与探针间平均吸附力（Average attractive force, AFat）分布于2.22 nN-2.65 nN之间，且随HAB的增加，AFat逐渐减小。碳烟粒子与探针间范德华力（Van der Waals force, Fvdl）数值介于1.89 nN到2.18 nN之间。不同HAB下， Fvdl与AFat的比值处于0.71-0.90之间，说明在干燥环境中范德华力是Fat值的主导因素。单碳烟粒子与探针间平均粘附力(Average adhesive force, AFad)随HAB的增加由12.1 nN逐渐增加到17.3 nN，而AFad值大约是AFat值的5到7倍。单碳烟粒子与探针之间的平均粘附能随HAB的增加而逐渐增加，当HAB=30 mm时，达到最小值1.11×10-16J；在HAB=60 mm时，达到最大值2.11×10-16J。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 碳烟颗粒的组成及特征

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究意义及内容

第二章 碳烟颗粒取样试验设备及研究方法

2.1 实验设备

2.2 实验工况

2.3 碳烟颗粒的表征仪器及方法

2.4 本章小结

第三章 火焰中不同高度碳烟颗粒形貌表征

3.1 碳烟颗粒形貌研究

3.2 单碳烟粒子粒径分布

3.3 单碳烟粒子球度比

3.4 碳烟颗粒圆度分析

3.5 碳烟颗粒紧密度

3.6 本章小结

第四章 火焰中不同高度碳烟颗粒吸附力分析

4.1 作用力曲线

4.2 碳烟颗粒吸附力分布

4.3 碳烟颗粒范德华力分析

4.4 本章小结

第五章 火焰中不同高度碳烟颗粒粘附力分析

5.1 粘附力的产生过程

5.2 碳烟颗粒粘附力分布

5.3 碳烟颗粒粘附能分布

5.4 本章小结

第六章 全文总结及工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

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