基于分形理论的柴油机排气微粒生长机理研究

摘要

排气污染是影响柴油机今后发展的决定性因素之一。有关这方面的研究，尤其是排气微粒的研究，是今后一段时期有关柴油机研究的重要内容。研究柴油机排气微粒的生成机理及物理特性，有助于认识微粒的危害性并加以控制。虽然这方面的研究一直没有中断过，但微粒的形成过程至今仍不是十分清楚。深入研究碳烟微粒生成机理，对于柴油机具有重大的现实意义和较高的理论价值。
　　 本文结合碳烟生长过程的特点，综述了国内外对碳烟微粒生成机理的研究，在此基础上归纳了形成碳烟的气相反应动力学和固体颗粒动力学两个重要过程。柴油机排气微粒的电镜照片表明，它具有明显的分形结构。探讨了通过计算机模拟碳烟微粒生长的动态蒙特卡洛方法来构建粒子碰撞、表面生长、氧化和枝接等生长过程的模型；描述了计算微粒结构参数如分形维数、体积和表面积采用的蒙特卡洛算法；以及计算几何中心和凝聚体半径所采用的随机增量算法。通过对模型进行数值求解，模拟了微粒凝聚体以及聚集体的生成过程，并将生成的凝聚体和聚集体与实际碳烟微粒进行了形态上的对比。同时对微粒生长过程中的温度和压力等环境因素进行了计算分析，获得了碳烟微粒的分形维数与这些影响因素之间的关系；采用形状因子修正碳烟生长模型，分别对凝聚和枝接过程进行了计算。介绍了几种常用的图像分形维数的计算方法，基于盒子维对凝聚体和聚集体图像的分形维数进行了计算。