人类的日常生活中，离不开燃料使用。不管是烧菜用的天然气，还是车辆消耗的汽油，主要成分都是碳氢化合物，碳烟是碳氢化合物在高温缺氧条件下热解产生的碳烟颗粒。碳烟的生成机理非常复杂，其结构属于无定形碳，粒径分布较宽。从不足1μm到100μm。10μm以下的微粒会悬浮在大气中，而且停留时间很长^[2]。碳氢化合物燃烧产生的碳烟对人类健康和环境有着不利的影响^[3]。特别是纳米级的碳烟颗粒非常危险。因为它们能够穿透人体的肺组织进入血液循环系统，造成严重的健康问题。碳烟的排放也被认为是导致全球变暖的重要因素。碳烟是一种吸光性物质,可强烈吸收太阳短波辐射,同时释放红外辐射,加热周边大气。它在大气中留存时间为数日至几周,因而可产生区域增温效应。因此，对实际燃烧装置的烟尘排放的基本认识和控制至关重要。此外，人们还知道，通过改变极地地区的地表反射率，碳烟对气候变化有显著影响^[13]。最近的一项研究表明，化石燃料燃烧产生的碳烟与严重的颗粒物(PM2.5)污染有关，这引发了广泛的社会关注^[14]。在这种背景下，燃烧科学家和工程师们在实际燃烧装置中开发控制碳烟排放的新技术变得极为重要。为了实现这一目标，需要充分了解各种碳氢化合物形成的碳烟形成途径，从而引起对碳烟的基本燃烧研究。以前的研究表明，煤烟的形成取决于各种因素，包括燃料结构，火焰温度，压力和燃料稀释。其中，燃料结构的影响特别值得关注，因为实际相关的烃燃料的化学复杂性和组分变化。特别是在扩散火焰中，随着芳烃、烷烃、烯烃和烷烃的顺序，逐渐减少的煤烟倾向的顺序^[13]。

由于在内燃机中研究碳烟的生成较为困难，无法避免许多影响因素，难以控制实验量、难以测量结果，且由于气流的存在，极大的影响生成的碳烟的测量准确度，所以实验室使用准一维对冲火焰来模拟实际情况，目前主要采用准一维对冲火焰实验平台来研究的燃料的碳烟生成倾向；气体的流速(待研究燃料）采用以活塞为驱动的正位移流量计标定的热流质量流量控制器来控制；使用平面激光诱导的白炽(LII)技术^[12]将火焰的碳烟体积分数量化，利用激光加热的烟灰粒子的黑体辐射作为其浓度的指示物^[14]。

几十年的研究表明，通过对燃料分子结构的相关性的调查，燃料类型是控制碳烟形成的主要因素，而这一趋势尤为重要。从科学的角度来看，系统比较各种燃料中碳烟的特性，有助于识别重要的反应途径，从而导致碳烟的前体成为一类燃料。另一方面，个别燃料组件的碳烟倾向的实用知识也可以在评估和设计燃料的过程中找到应用，增加分子的复杂性。

目前国外对氧燃料/富氧燃烧、低温燃烧、温和燃烧和烟道气体再循环的关注度很高，这就需要了解燃料和氧化剂流稀释对扩散火焰中的污染行为的影响^[16]。Sunderland等人重测了烟雾点的数据，并提出了一种新的烟尘测量标准，称为标准烟点（NSP）。Barrientos等人提议用含氧量的燃料来计算含氧燃料的含氧量，以计算在烟雾点数据的标准化过程中氧原子的作用^[13]。除了基于烟点的方法，McEnally等人在甲烷共流扩散火焰中掺杂靶燃料，并测量峰值烟灰体积分数，然后归一化，以确定产量烟尘指数(YSI)^[15]。

目前国内主要针对长链大分子单烯烃的变压力流动反应器热解和层流火焰传播速度开展了实验研究。在流动反应器热解实验中，采用了两种分析诊断方法。一种方法是利用SVLTV PIMS诊断技术研究物质的热解实验，测量了光电离效率谱(PIE)以鉴别热解物种，并测量热解物种摩尔浓度随温度变化的关系曲线^[11]。对冲火焰的研究方面主要运用对冲滞止面纳米颗粒输运的在线诊断与计算的相选择性的一种新型在线激光诊断方法——激光诱导击穿光谱方法（PS-LIBS）^[1]。国内外对于这项技术在定量测量碳烟体积分数以及结合相关的LII模型推测粒径方面开展了很多研究工作。利用采样法、LEM-LII法和2C-LII均可以实现定量测量，这其中2C-LII因其操作简单，可以在线实时标定，因而获得了快速的发展。但同国外相比，国内LII用于碳烟的测量起步较晚，且在发动机缸内等复杂环境中的应用以及LII数学模型的研究仍处于起步探索阶段^[12]。

在实验室规模的火焰中，针对单一成分燃料和燃料混合物的研究已经进行了基础探究，最近的焦点转向了氧合物。人们提出了各种各样的索引来量化燃料的碳烟趋势。其中包括阈值烟尘指数(TSI)、产量烟尘指数(YSI)、归一化烟点(NSP)和氧气延伸^[14]。进一步深入研究这一发现，大多数都是基于烟点或共流扩散火焰，这两种火焰在自然界都是二维的。因此，利用详细的反应机制进行数值模拟具有挑战性，特别是考虑到高分子量燃料的多环芳烃生长机制的复杂性^[7]。然而，详细的动力学建模和后续的反应途径分析对于基本理解燃料中碳烟倾向的差异是至关重要的。在这方面，我们提出了在对冲扩散火焰(CDF)中测量碳烟的趋势，并将碳烟温度指数作为定量的碳灰度量指标^[14]。对冲扩散火焰的准一维性质使得详细的动力学模拟更加易于处理，从而可以更有效地提取碳烟形成途径的化学动力学和传输信息。

2. 研究的基本内容与方案

本题目属于设计类题目。准一维对冲火焰实验平台是基础燃烧学研究（如碳烟生成）的重要研究平台。此论文是在综合考虑各个因素，结合实际应用现状后，设计对冲火焰碳烟生成的光学诊断测试平台，借助计算机辅助设计技术，对设计结果经行结构分析，优化设计。实验中主要测量了各种1-烯烃燃料在大气压力下的多环芳烃和碳烟的形成趋势，并建立动力学建模，对不同燃料碳烟的形成趋势进行比较。大致研究内容和技术方案如下：

（1）了解碳烟研究的科学意义和研究方法；了解碳烟光学测量的原理和方法；

（2）掌握 Solidworks 等三维建模软件，进行冲火焰燃烧器结构设计、激光设备光学元器件流量计GC/MS 等实验测量设备的认知和建模；