劉近平　魏明銳　郭冠倫　李松

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430070)

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乙炔火焰中添加H2O/CO2對(duì)碳煙顆粒尺寸分布的影響*

劉近平魏明銳郭冠倫李松

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430070)

摘要:基于顆粒群平衡理論，構(gòu)建一維層流預(yù)混火焰中碳煙顆粒動(dòng)力學(xué)演化過程的數(shù)學(xué)模型.該模型包含了顆粒的成核、凝并、表面生長(zhǎng)和氧化等過程，采用Monte Carlo隨機(jī)算法進(jìn)行求解.結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，搭建了求解碳煙顆粒尺寸分布的計(jì)算平臺(tái)．分析了乙炔層流預(yù)混火焰中添加二氧化碳和水兩種組分時(shí)對(duì)碳煙生成的影響，獲得了0%、20%和40% 3組不同添加比例下的碳煙尺寸分布．結(jié)果表明，在當(dāng)量比為2.5且保持不變的情況下，添加二氧化碳和水能夠有效降低碳煙的生成，其中添加40%水時(shí)對(duì)碳煙的抑制效果更加明顯；同時(shí)，二氧化碳和水的添加使得大粒徑碳煙顆粒數(shù)量降低．

關(guān)鍵詞：乙炔；層流火焰；碳煙顆粒；尺寸分布；Monte Carlo算法

碳煙作為柴油機(jī)的主要顆粒排放物，成為霧霾和其他極端氣候的重要污染源，對(duì)人體健康造成了極大危害．目前，廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是同時(shí)降低碳煙和NOx的有效途徑，但是截至目前，關(guān)于EGR中的重要組分——H2O和CO2對(duì)碳煙生成的影響的相關(guān)研究鮮見報(bào)道，關(guān)于H2O和CO2對(duì)碳煙尺寸分布影響的研究更少．不同數(shù)量、不同尺寸的碳煙顆粒對(duì)人體的危害不盡相同，而且歐洲和國(guó)內(nèi)新的排放法規(guī)對(duì)顆粒數(shù)量和顆粒尺寸都有了明確規(guī)定．因此，對(duì)碳煙顆粒的尺寸分布進(jìn)行研究，尋找降低碳煙生成的相關(guān)技術(shù)方案成為近些年科研工作者的研究重點(diǎn)．

在碳煙顆粒尺寸分布計(jì)算方面，鞠洪玲、陳亮等[1- 2]通過求解碳煙體積分?jǐn)?shù)和數(shù)密度的微分方程，得到了碳煙顆粒的相關(guān)信息，但在求解中，都是以碳粒尺寸均一的假設(shè)為前提，計(jì)算模型仍然停留在唯象的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯用妫紵煹男纬蛇^程非常復(fù)雜，既包含生成碳煙前驅(qū)物的氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)部分，也包含成核后的顆粒動(dòng)力學(xué)部分，氣相反應(yīng)可以通過詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行描述，而對(duì)于成核后顆粒動(dòng)力學(xué)的演變則需要通過求解顆粒群平衡方程來實(shí)現(xiàn)．然而，顆粒群平衡方程本身的積分微分特征使得方程的求解極為困難，通常情況下很難得到解析解，而且普通的數(shù)值計(jì)算方法，如有限差分法和有限體積法等，對(duì)其直接求解也極為困難．目前國(guó)內(nèi)外最常見的數(shù)值求解方法有矩方法(Method of Moments)、分區(qū)法(Sectional Method)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method)．Monte Carlo法因其自身的離散特征與顆粒動(dòng)力學(xué)演變過程的離散特征一致，使其成為一種更接近實(shí)際地描述碳煙顆粒動(dòng)力學(xué)演變過程的方法．采用Monte Carlo法求解顆粒群平衡方程，能夠得到較高精度的計(jì)算結(jié)果，并且能得到顆粒的軌道經(jīng)歷效應(yīng)，從而獲得碳煙顆粒尺寸分布等相關(guān)信息．

鑒于EGR在改善內(nèi)燃機(jī)排放方面的巨大優(yōu)勢(shì)，許多科研工作者對(duì)EGR中的某些特定組分在如何影響碳煙和其他排放物生成方面進(jìn)行了研究．Wu等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了CO的添加對(duì)甲烷燃燒過程的影響，詳細(xì)分析了CO對(duì)火焰中氣相組分生成的影響，但沒有涉及最終碳煙量的生成;Lee等[4]研究了CO2的添加對(duì)CH4擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的變化，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，深入分析了CO2對(duì)NOx以及其他中間產(chǎn)物的影響．Teini等[5]利用一種快速壓縮裝置研究了H2O和CO2對(duì)碳煙生成的影響，得出了不同H2O和CO2添加比例對(duì)碳煙生成量以及碳煙微觀形貌的影響，但沒有獲得任何碳煙顆粒尺寸分布的相關(guān)信息．通過國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，H2O和CO2能夠在某種程度上改善排放，但這兩種組分影響碳煙生成的機(jī)理還有待研究，特別是在如何影響碳煙顆粒尺寸分布方面鮮見報(bào)道．

文中基于顆粒群平衡理論，構(gòu)建層流預(yù)混火焰中碳煙生長(zhǎng)演變的數(shù)學(xué)模型，包含了顆粒的成核、凝并、表面生長(zhǎng)和氧化等過程;氣相反應(yīng)部分采用含有芘分子(A4)生成的詳細(xì)化學(xué)機(jī)理，顆粒動(dòng)力學(xué)演變部分則采用Monte Carlo隨機(jī)算法進(jìn)行求解，搭建了碳煙顆粒尺寸分布計(jì)算的工作平臺(tái);在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了H2O和CO2對(duì)碳煙顆粒生成及尺寸分布的影響機(jī)理.

1數(shù)學(xué)物理模型

1.1層流預(yù)混火焰物理模型

文中所采用的一維層流預(yù)混火焰模型的火焰結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該模型可以劃分為冷反應(yīng)區(qū)、預(yù)熱區(qū)、反應(yīng)區(qū)和產(chǎn)物區(qū).

1.2氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

文中的氣相反應(yīng)采用文獻(xiàn)[6]所描述的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，即著名的ABF碳煙生成機(jī)理，該機(jī)理是在Wang等[7]提出的描述乙烯/乙炔火焰中多環(huán)芳香烴分子(PAHs)生成過程的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上發(fā)展而來，由101種組分和546步化學(xué)反應(yīng)組成，包含了燃料的裂解、C1和C2組分的氧化、較高碳原子烷烴分子的形成、PAHs的生成和氧化等基本反應(yīng)過程．燃料分子通過高溫裂解成的多種小分子中間基團(tuán)(如CH3、C2H2和C4H5等)通過反應(yīng)生成第一個(gè)苯環(huán)，初始苯環(huán)一旦形成，則會(huì)通過脫氫加乙炔(HACA)機(jī)理促使PAHs的生長(zhǎng)．

苯(A1)的形成有兩條重要的路徑，第一條反應(yīng)路徑是C4自由基和乙炔分子的反應(yīng)，如反應(yīng)(R1)和反應(yīng)(R2)所示，再通過HACA機(jī)理形成苯環(huán);對(duì)于苯基(A1-)的形成也可以通過線性C6H5的環(huán)化作用來實(shí)現(xiàn)．其中，反應(yīng)(R1)是高溫反應(yīng)路徑，反應(yīng)(R2)是低溫反應(yīng)路徑．苯環(huán)形成的第二條反應(yīng)途徑是在缺氧條件下，丙炔基(C3H3)之間通過化合反應(yīng)生成苯環(huán)，如反應(yīng)(R3)所示[6]．

C2H2+n-C4H3=C6H5

(R1)

C2H2+n-C4H3=A1+ H

(R2)

C3H3+C3H3=C6H6

(R3)

實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果都表明，只要能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)第一個(gè)苯環(huán)的生成，那么PAHs的生長(zhǎng)過程就能夠得以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)．在該化學(xué)反應(yīng)機(jī)理中，生成的苯(A1)和苯基(A1-)可以通過反應(yīng)(R4)-(R6)進(jìn)行轉(zhuǎn)換．

A1-+H=A1

(R4)

A1+H=A1-+H2

(R5)

A1+OH=A1-+H2O

(R6)

第一個(gè)苯環(huán)或者苯基形成之后，進(jìn)一步通過脫氫反應(yīng)激活芳香烴分子，乙炔分子吸附在芳香烴分子之上，這樣芳香烴分子就進(jìn)行生長(zhǎng)和發(fā)生環(huán)化反應(yīng)．芘(A4)的生成主要是A3- 4和乙炔的反應(yīng)獲得，該反應(yīng)同樣遵循HACA機(jī)理，而且該反應(yīng)屬于很強(qiáng)的放熱反應(yīng)，在實(shí)際過程中不能逆轉(zhuǎn)，如反應(yīng)(R7)所示.

A3- 4+C2H2=A4+H

(R7)

1.3顆粒動(dòng)力學(xué)模型

碳煙顆粒的形成過程可以分為氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和成核后的顆粒動(dòng)力學(xué)演變過程兩個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)于前驅(qū)物的形成、粒子成核和后續(xù)生長(zhǎng)演變兩個(gè)階段．氣相反應(yīng)過程可以通過詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，固體顆粒動(dòng)力學(xué)演化過程則可以用顆粒群平衡方程來描述．考慮了成核、凝聚和表面反應(yīng)過程的顆粒群平衡方程[8]可以用式(1)表示:

(1)

(1)成核模型

在該碳煙模型中，認(rèn)為碳煙成核過程是由兩個(gè)芘分子碰撞而成核，其單位體積內(nèi)成核速率為

(2)

(2)凝并模型

文中采用Smoluchowski凝并方程[9]描述碳煙顆粒凝并過程，其表達(dá)式見式(1)中的凝并項(xiàng)．顆粒碰撞凝并過程根據(jù)不同的克努森數(shù)(kn)分為3種模式[10]：自由分子模式(kn>10)、連續(xù)模式(kn≤1)和介于自由分子模式和連續(xù)模式之間的過渡模式(1

(3)

連續(xù)模式下，碰撞速率常數(shù)為

(4)

對(duì)于過渡模式，Pratsinis[11]提出了一種碰撞速率常數(shù)計(jì)算公式(見式(5))，采用自由分子模式和連續(xù)模式的調(diào)和平均值來表述：

(5)

(3)表面反應(yīng)模型

碳煙表面生長(zhǎng)和氧化反應(yīng)機(jī)理如表1所示[6]，該機(jī)理涉及了C2H2的表面生長(zhǎng)以及O2和OH對(duì)碳煙的氧化過程，其中C2H2表面生長(zhǎng)通過HACA機(jī)理進(jìn)行．

表1表面反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)速率常數(shù)

Table1Surfacereactionmechanismandrateconstantsofthereactions

步驟反應(yīng)機(jī)理k=ATbexp(-E/RT)A/(cm3·mol-1·s-1)bE/(kJ·mol-1)1CsootH+H?C*soot+h14.2×1013/3.9×1012054.34/45.982CsootH+OH?C*soot+h1O1.0×1010/3.68×1080.738/1.1395.98/71.473C*soot+H→Csooth1.0×1013004C*soot+C2h1→Csoot+2H+H8×1071.56015.885C*soot+O2→Csoot-2*+2CO2.2×1012031.356CsootH+OH→Csoot-1H+CO+HNeoh模型[12],OH=0.13

(6)

式中,r1為均勻分布隨機(jī)數(shù)，r1∈[0,1]．Rl表示不同動(dòng)力學(xué)事件發(fā)生速率，l取1、2、3、4表示不同的表面反應(yīng)事件，l=5表示顆粒成核事件，l=6表示顆粒凝并事件．根據(jù)各動(dòng)力學(xué)事件的速率計(jì)算其發(fā)生的概率，即

(7)

式中,Pl表示不同動(dòng)力學(xué)事件發(fā)生概率．通過產(chǎn)生位于[0,1]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)r2，結(jié)合動(dòng)力學(xué)事件發(fā)生概率，選擇發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)事件．在計(jì)算過程中，各個(gè)動(dòng)力學(xué)事件后處理如下：在顆粒系統(tǒng)中加入尺寸為32的顆粒來表示成核事件發(fā)生．尺寸為i和j的顆粒發(fā)生碰撞凝并，則從顆粒系統(tǒng)中移除尺寸為i和j的顆粒，加入尺寸為i+j的顆粒．芘分子沉積事件發(fā)生時(shí)，用尺寸為i+16的顆粒替代尺寸為i的顆粒;用尺寸為i+2的顆粒替代尺寸為i的顆粒來表征C2H2表面生長(zhǎng)事件發(fā)生．發(fā)生O2氧化事件時(shí)用尺寸為i-2的顆粒替代尺寸為i的顆粒，發(fā)生OH氧化事件則用尺寸為i-1的顆粒替代尺寸為i的顆粒．

2模型驗(yàn)證

為了對(duì)上述構(gòu)建的碳煙模型進(jìn)行驗(yàn)證，文中模擬了C2H2/O2/Ar混合氣層流預(yù)混燃燒過程．在模擬過程中，其計(jì)算條件設(shè)置與文獻(xiàn)[13- 14]的實(shí)驗(yàn)條件保持一致，具體設(shè)置如下：C2H2、O2和Ar的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.236、0.214和0.550，壓力0.012 MPa;混合氣體流速為20.4 cm/s;進(jìn)氣溫度為298 K．火焰中主要?dú)庀嘟M分濃度、碳煙顆粒數(shù)密度和碳煙體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[13- 14]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖2所示．

圖2　計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig.2Comparison between calculated results and experimental data

綜合分析圖2可知，計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明該碳煙模型可以較為準(zhǔn)確地對(duì)C2H2層流預(yù)混火焰下碳煙生成情況進(jìn)行計(jì)算.

3計(jì)算結(jié)果與分析

文中利用構(gòu)建的碳煙生長(zhǎng)模型，結(jié)合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)乙炔/空氣層流預(yù)混火焰中添加不同比例的H2O和CO2的燃燒過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算條件設(shè)置如下：壓力為0.012 MPa，初始流速為10.0 cm/s，混合氣當(dāng)量比為2.5，進(jìn)氣溫度為298 K，混合氣各組分比例如表2所示．

表2　混合氣各反應(yīng)組分的摩爾分?jǐn)?shù)

圖3給出了層流預(yù)混火焰中不同H2O和CO2添加比下火焰溫度的變化．

圖3　火焰溫度沿軸向的變化

由圖3可見，隨著H2O和CO2添加比例的增加，火焰溫度逐漸降低，相同添加比例下H2O和CO2對(duì)溫度的影響相差不大．由于H2O和CO2是不可燃?xì)怏w，對(duì)燃料濃度有一定稀釋作用，抑制了燃燒的劇烈程度，造成溫度的下降．從圖3可以看出，溫度下降的幅度并不明顯，添加40%CO2時(shí)火焰環(huán)境溫度降低只有49 K，主要原因是H2O和CO2添加導(dǎo)致了碳煙生成量減小，碳煙輻射熱損失減少，加之碳煙生成是吸熱過程，其生成量的減少也降低了熱量的吸收，最終使火焰溫度的下降不夠明顯．

H2O和CO2添加對(duì)碳煙生成的影響主要體現(xiàn)在溫度、稀釋作用和化學(xué)抑制作用3個(gè)方面．雖然從圖3分析中可知，隨著H2O和CO2的添加火焰溫度下降并不明顯，但碳煙體積分?jǐn)?shù)的下降卻較為顯著(如圖4所示)，說明溫度不是造成碳煙體積分?jǐn)?shù)下降的主要原因．為進(jìn)一步探究H2O和CO2添加在降低碳煙生成方面的化學(xué)作用，圖4對(duì)比了添加20%Ar時(shí)對(duì)碳煙生成的影響．由于氬氣是惰性氣體，不參與化學(xué)反應(yīng)，因此氬氣對(duì)碳煙生成的影響只來自溫度和稀釋作用．由圖3可知，添加20%的Ar、H2O和CO2對(duì)火焰溫度的影響幾乎相同，且這三者具有相同的稀釋效果(添加比例相同)，但是碳煙生成量卻有顯著差異，這個(gè)差異應(yīng)該來自H2O和CO2的化學(xué)抑制作用．

圖4　碳煙顆粒體積分?jǐn)?shù)沿軸向的變化

為進(jìn)一步說明H2O和CO2的添加對(duì)碳煙生成的化學(xué)抑制作用，圖5給出了中間組分H2和OH 摩爾分?jǐn)?shù)沿軸向的變化．

圖5　H2和OH 摩爾分?jǐn)?shù)沿軸向的變化

Fig.5Variations of molar fractions of H2and OH with axial distance

由圖5可見，在火焰出口位置處，只有燃料和O2反應(yīng)，生成了一定量的OH;在0.5 mm處左右，由于OH在燃料裂解過程中是重要的氧化劑，OH濃度略微減少;隨著反應(yīng)的劇烈進(jìn)行，造成大量OH的產(chǎn)生，OH摩爾分?jǐn)?shù)開始升高．由反應(yīng)R8可知，添加CO2抑制了其正向進(jìn)行，造成O2濃度升高．在靠近燃燒器壁面的火焰位置，由于火焰環(huán)境溫度較低，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行緩慢，添加CO2對(duì)反應(yīng)R9正向促進(jìn)作用不明顯，OH生成速率小．此時(shí)，添加CO2的稀釋作用強(qiáng)于化學(xué)作用，使得OH濃度降低;隨著火焰位置升高，溫度逐漸增大，化學(xué)反應(yīng)明顯加劇，CO2添加極大地促進(jìn)了反應(yīng)R9正向進(jìn)行，造成OH生成速率增大．此時(shí)，添加CO2的化學(xué)作用明顯增強(qiáng)，取代了稀釋效應(yīng)的主導(dǎo)作用，造成OH濃度升高．

CO+O2=CO2+O

(R8)

CO2+H=CO+OH

(R9)

H2O在高溫下的裂解反應(yīng)主要通過R10進(jìn)行

H2O+H=OH+H2

(R10)

從圖5中可以看出，在相同添加比例的情況下，H2O的添加生成了更多的H2和OH,H2濃度的增大加大了H和OH的濃度(反應(yīng)R11)．

H2+O=H+OH

(R11)

H濃度的增大抑制了碳煙顆粒通過HACA機(jī)理所發(fā)生的表面生長(zhǎng)反應(yīng)，同時(shí)，OH濃度的增大加速了碳煙前驅(qū)物(PAHs)和碳煙的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致碳煙前驅(qū)物濃度和碳煙生成量的降低．

碳煙前驅(qū)物A4和第一個(gè)苯環(huán)A1的摩爾分?jǐn)?shù)變化圖如圖6所示．

圖6　A1和A4摩爾分?jǐn)?shù)沿軸向變化

Fig.6Variations of molar fractions of A1and A4with axial distance

從圖6可以看出，隨著H2O和CO2添加比例的增加，A4和A1濃度逐漸降低，且在相同添加比例下，H2O對(duì)A4生成的抑制效果更為顯著．A4濃度降低的原因在于添加H2O和CO2造成OH和O2濃度升高，一方面加劇了C2H2的氧化作用(見反應(yīng)R11和R12)，而C2H2又是多環(huán)芳香烴分子生長(zhǎng)的重要反應(yīng)組分，C2H2濃度降低抑制A4生成;另一方面，OH和O2濃度升高直接導(dǎo)致了其對(duì)A4分子氧化作用增強(qiáng)．

C2H2+O2=C2H+HO2

(R12)

C2H2+OH=CH2CO+H

(R13)

碳煙成核速率和凝并速率隨著H2O和CO2添加比例的變化如圖7所示．

圖7　碳煙成核率和凝并速率沿軸向的變化

Fig.7Variations of soot nucleation and coagulation rate with axial distance

成核是從氣相分子向固態(tài)碳煙顆粒的轉(zhuǎn)換過程，是碳煙生成過程中最為關(guān)鍵的一環(huán)，成核率的大小與后期碳煙生成數(shù)量和生成質(zhì)量的多少緊密相關(guān)．從圖7中可看出，成核速率隨H2O和CO2的添加逐漸降低，添加相同比例的H2O和CO2時(shí)，添加H2O時(shí)的降低效果更為明顯．成核速率大小與A4濃度緊密相關(guān)，A4濃度隨著H2O和CO2添加量增大而降低，造成成核速率降低．凝并速率與顆粒數(shù)密度呈正相關(guān)的關(guān)系，而數(shù)密度很大程度上依賴于成核過程的發(fā)生，在數(shù)密度較大火焰位置，顆粒之間

圖8是碳煙顆粒表面生長(zhǎng)率的變化．表面生長(zhǎng)速率與C2H2和A4組分濃度以及碳煙顆粒數(shù)密度緊密相關(guān)．隨著H2O和CO2的添加，碳煙顆粒表面生長(zhǎng)速率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)．由于添加H2O和CO2造成C2H2和A4的氧化反應(yīng)加劇，C2H2和A4的濃度降低，加之碳煙顆粒數(shù)密度的降低，二者共同作用導(dǎo)致表面生長(zhǎng)速率下降．從圖中還可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，PAHs和C2H2分子的表面生長(zhǎng)率基本穩(wěn)定在相同的數(shù)值，說明在反應(yīng)后期PAHs和C2H2分子對(duì)碳煙顆粒的表面生長(zhǎng)都有著重要的貢獻(xiàn)．

圖8　碳煙顆粒表面反應(yīng)速率沿軸向的變化

Fig.8Variations of soot surface reaction rate with axial distance

圖9給出了不同火焰位置碳煙顆粒尺寸分布．尺寸分布整體上呈現(xiàn)雙峰特征，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在顆粒粒徑為1 nm左右(初始碳粒尺寸)處，第二個(gè)則出現(xiàn)在5～15 nm范圍內(nèi)．在較低的火焰位置，由于成核速率較高，造成大量初始碳煙顆粒產(chǎn)生，而其他碳煙顆粒動(dòng)力學(xué)過程，像凝并和氧化等反應(yīng)較為緩慢，出現(xiàn)了第一個(gè)波峰．隨著碳煙粒子不斷增多，凝并速率隨之增大，凝并過程不斷消耗初始粒子而形成較大粒徑顆粒，加之C2H2生長(zhǎng)和A4表面沉積等過程的發(fā)生，出現(xiàn)第二個(gè)波峰．從圖9還可看出，隨著火焰位置升高，成核速率減小造成第一個(gè)波峰略微降低，凝并過程以及各表面反應(yīng)過程的增強(qiáng)促使碳煙顆粒不斷增大，使得第二個(gè)波峰向著粒徑較大方向移動(dòng)，越靠近燃燒器壁面，雙峰特征越不明顯．

圖9　不同火焰位置碳煙顆粒尺寸分布

圖10是在火焰高度9 mm的條件下添加不同比例H2O和CO2時(shí)的碳煙顆粒尺寸分布情況．從圖中可以看出，隨著H2O和CO2添加比例的增加，第二個(gè)峰值向前推移，同時(shí)尺寸分布的第一個(gè)波峰降低．添加H2O和CO2造成碳煙顆粒表面生長(zhǎng)過程受到抑制，加之OH和O2濃度升高加劇了碳煙顆粒的氧化作用，從而造成碳煙顆粒尺寸減小，即碳煙顆粒尺寸分布第二個(gè)波峰向左(粒徑較小方向)移動(dòng)．相同添加比例下，H2O的添加使得顆粒尺寸分布的第二個(gè)峰值往前推移的幅度更大，大尺寸顆粒數(shù)目減少更多，說明H2O在抑制碳煙生成方面效果更為顯著．

圖10　添加不同比例H2O和CO2時(shí)的碳煙顆粒尺寸分布

Fig.10Particle size distributions with different H2O and CO2dosages

4結(jié)論

(1)乙炔層流預(yù)混火焰中，碳煙顆粒尺寸分布總體呈現(xiàn)雙峰分布，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在大約0.9 nm的位置;隨著火焰位置的升高，第二個(gè)峰值從5 nm開始向后推移，小粒徑碳煙顆粒數(shù)密度降低，較大顆粒的數(shù)量增多，雙峰特征更加明顯．

(2)添加H2O和CO2通過降低火焰溫度、稀釋混合氣以及化學(xué)抑制作用來降低碳煙生成，其中化學(xué)作用起主導(dǎo)．H2O和CO2的添加使得火焰中OH和H2濃度升高，抑制碳煙前驅(qū)物A4的生成，加速了碳煙以及碳煙前驅(qū)物的氧化反應(yīng)，使得最終碳煙生成量降低．

(3)在添加40%H2O的情況下，生成的碳煙最少，說明H2O在抑制碳煙生成時(shí)效果更為明顯．H2O的添加通過抑制成核組分減少了初始小顆粒的生成，使得尺寸分布的第一個(gè)峰值略微降低;通過減弱碳煙的表面生長(zhǎng)反應(yīng)和促進(jìn)碳煙的氧化反應(yīng)使得較大顆粒的數(shù)量減少，碳煙顆粒的最大尺寸也減少，尺寸分布的第二個(gè)峰值往前推移．

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Effects of H2O/CO2Addition to Acetylene Flame on Soot Particle Size Distribution

LIUJin-pingWEIMing-ruiGUOGuan-lunLISong

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components∥Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

Abstract:In this paper, first, a mathematical model based on the particle population balance theory, which takes into consideration the nucleation, coagulation, surface growth and oxidation of particles, is established to describe the dynamic evolution of soot particles in one-dimension laminar premixed flames. Next, the model is solved by means of Monte Carlo stochastic method. Then, based on a detailed chemical kinetic mechanism, a computation platform of particle size distribution is established. With this platform, the effects of CO2 and H2O addition on the soot formation in laminar acetylene/air premixed flames are analyzed, and the particle size distribution affected by the CO2/H2O dosage (0%, 20% and 40%) is obtained8. The results show that the addition of CO2 and H2O slows down the soot formation when the equivalence ratio remains unchanged at 2.5, especially at a H2O addition of 40%; and that fewer particles in large size may form due to the addition of CO2 and H2O.

Key words:acetylene; laminar flame; soot particle; size distribution; Monte Carlo method

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2016.02.017

中圖分類號(hào)：TK 421.2

文章編號(hào):1000- 565X(2016)02- 0117- 07

作者簡(jiǎn)介:劉近平(1983-)，男，博士生，主要從事內(nèi)燃機(jī)性能及排放控制技術(shù)研究.E-mail:liujinpinglucky@163.com

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276132);武漢理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015Ⅲ040)

收稿日期:2015- 07- 09

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51276132)