1. 研究目的与意义（文献综述）

1．论文选题的目的和意义

在对燃烧源可吸入颗粒物形成与控制的研究中，火焰内部颗粒物控制已经随着科学研究以及诊断技术的发展而受到更广泛的关注。在众多可吸入颗粒物当中，碳烟颗粒是化石燃料燃烧过程中产生的主要颗粒^[1]。发展碳烟检测技术，对于碳烟形成过程中的物理化学机理研究和碳烟模型的检验都有着重要的科学价值，对提高燃烧效率和降低污染物的排放也具有重要的现实意义^[2]。取样分析法可以取得足够量的燃烧产物，通过结合质谱、粒径分析仪、红外光谱等分析仪器，实现针对燃烧产物的定性、定量研究，目前取样分析法已被广泛应用于发动机颗粒物检测和实验室火焰燃烧产物分析。其中的取样方法在实验室火焰研究中主要有热泳探针取样和毛细管取等方法^[3]。

燃烧器在同一条轴线上相对布置，燃料和空气分别通过上下管道引入，并在中心撞击后形成上升火焰的燃烧方式为对冲火焰，由于氧化剂不足，对冲火焰燃烧更缓慢，比预混火焰产生更多的碳烟颗粒^[4]。关于对碳烟形成的研究主要针对常压下的对冲扩散火焰，但是为了提高热效率，减少设备体积，很多燃烧器都是在增压条件下工作。高压燃烧产生的碳烟的光学诊断和探针采样面临着大气压火焰所没有面临的挑战。研究大气压情况下火焰所生成的碳烟的一种优选方法是原位热泳采样，随后是透射电镜成像进而分析碳烟尺寸和形态。高压环境下的取样方法已被各种操作上的和机械方面的问题所阻碍^[5]。高压热泳采样系统已被建立，并成功地用于测量在高于大气压的甲烷层流扩散火焰中的一次碳烟颗粒的尺寸^[6]。本论文深入了解不同方法的碳烟取样原理，试图设计一套适合高压对冲火焰燃烧器的碳烟收集装置，并装配到对冲火焰燃烧器的高压腔体中,完成精确地采样过程，以便进一步对高压对冲火焰燃烧器内的碳烟生成物的性质、形成过程，燃尽机理进行后续相关分析研究。

2.国内外关于该论题的研究现状和发展趋势

目前，国内外对于碳氢燃料火焰中碳烟的检测采用了很多种方法，大致可以分为接触式测量和非接触式测量两类方法。几乎所有的非接触测量方法都釆用光学技术，可以得到碳烟体积分数、平均粒径和颗粒数密度等多种信息。光学方法的最大优点是信号准确，信噪比高，不对火焰产生干扰，可以在线测量火焰温度、各组分浓度以及颗粒物的尺寸参数。但是，光学诊断系统尚无法得到颗粒物的真实形态，目前，要达到此目的仍然需要接触式的测量方法^[2]。接触式测量方法是用各种采样技术从火焰中采集碳烟样品,包括热泳取样及透射电镜分析法（tspd-tem）、热电偶颗粒密度法以及纤维采集法。tspd-tem除了可以获得火焰中某一空间某一时刻的瞬时形态之外，还可获得局部碳烟体积分数、碳烟团聚体的分形特性及碳烟一次颗粒尺寸。方法属于单点测量方法，它所获得的实验结果有一定的片面性和难重复性。检测结果的误差主要来自探针对火焰的扰动及环形区域对铜网的污染等，应该采取措施尽量减少这些因素影响^[7]。leen 和yang^[8]在关于采样探针速度的研究中，测量了各种热泳采样探针的速度，第一次引入扰动强度，以量化探头在运行中的振动。lee^[9]等人提出了一种用于改进热泳探针的设计方法，该方法能以高分辨率对颗粒进行采样，同时进行针对探针瞬时运动的弯曲振动分析与对探针运动及其流动扰动的直接观察，用于粒子不同采样设计的系统研究。saggese^[10]等人通过数值模拟方式，研究探针侵入燃烧器内燃烧滞止面（bss）所导致的影响，建议碳烟测量位置从滞留面向上移动几毫米。邓鹏等人为研究碳烟颗粒在柴油喷雾火焰内部的演变规律引入了从德国 festo 公司定制了最新研发的直线电缸以精确实现采样动作^[11]。

2. 研究的基本内容与方案

1．基本内容与目标

（1）明确收集碳烟的意义，了解碳烟取样方法的分类，对比各种取样方法，分析相应方法的适用条件，确定各种方法所能测得的关于碳烟的参数。

（2）学习碳烟取样原理，如热泳取样和毛细管取样的工作原理。

（3）设计一个适合高压对冲火焰燃烧器中碳烟的收集装置，考虑取样系统与其匹配问题。对于热泳探针取样，考虑探针运动对流场的影响及其本身振动对取样精度的影响，采用多探针旋转盘方案，克服传统气体驱动方式导致的探针振动等问题，选择合理的取样时间等参数。对于毛细管取样，结合国内外毛细管取样系统的设计理念，设计开发毛细管取样分析系统，确定合理的取样稀释比等取样参数及取样操作程序。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王宇.电场作用下火焰中碳烟颗粒的分布与聚积规律[d].清华大学,2009.

[2]梁军辉.氧浓度对扩散火焰中碳烟的生成及分布特性的影响研究[d].浙江大学,2012.