英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
一种用于高压扩散火焰的多探针热泳碳烟采样系统
Alex M.Vargas , Omer L.Gulder
摘要：高压燃烧中碳烟生成的光学诊断和物理探测面临着大气压中火焰所没有面临的挑战。研究大气压中火焰所生成的碳烟的一种优选方法是原位热泳采样，随后是透射电子显微镜成像以及分析烟灰尺寸和形态。这种在高压环境中采样方法的应用已被各种操作上的和机械方面的问题所阻碍。在这项工作中，我们描述了一个旋转盘多探针热泳烟尘采样系统，它通过微步进电动机驱动，并装配到能够产生高达100atm的烟灰层流扩散火焰的高压室中。抽样系统设计的创新方面包括简单而精确的采样时间控制，能低至2.6 ms，避免了在常规热泳采样系统中使用的气动驱动器的缺点，此外它还拥有在单次实验周期中连续收集10个样品的里能力。该证明性实验也是使用该系统在甲烷的层流扩散火焰中完成的，而且初级碳烟直径在高达10atm的各种压力的分布已经被确定了。在热泳采样期间的高速火焰图像也被记录了，用来评估探针进入火焰流动场所带来的影响。
关键词：高压扩散火焰；碳烟；热泳取样系统
- 引言
设计主要在扩散燃烧模式中操作的发动机可以获得较可靠和一致的燃烧过程，并且总体当量比远低于贫燃性极限。出于对热效率和紧凑性的考虑，这些发动机被用来在超过在燃气轮机中压力40atm和超过柴油发动机中压力100atm的高压下操作。碳烟的形成是扩散燃烧过程的假象，而且压力对扩散火焰中碳烟的浓度有着重要影响。这些类型的火焰在实际发动机中是不容易被表征的，因为光学可达性相关的实验限制，复杂的火焰几何，和巨大的时间跨度和长度范围限制等等。
因为控制着各种火焰过程的化学反应本质上是非线性的，所以燃烧事件对压力改变的响应通常不是单一的，因而把大气压下火焰的测量值缩放到高压燃烧的情况并不是个简单的事。所以，高压燃烧一直是近年来工业和学术研究领域的热门。
目前，用于解决在碳烟湍流扩散火焰中湍流混合速率的空间和时间的测量是不可行的。压力通过影响碳烟的形成和氧化速率（主要通过改变相关的时间尺度）将这个问题更复合化，而且压力还可以通过改变湍流场进而改变混合速率。通过使用像火焰假说的方法提出湍流火焰是变形层流火焰的集合，层流和湍流火焰之间的相似之处可以被使用。这用于易于测量的压力实验，因而就开启了用高压实验中层流扩散火焰来得到那些易于测量的数据的可能性。然而，我们在较高压力下层流扩散火焰中碳烟的形成方面却没有太多的详细基础的研究。
在高压下层状扩散火焰的实验研究总是被一些复杂的问题所限制了，这些问题包括实验仪器的设计，和操作那些要求可介入和不可介入测量技术的仪器。此外，层流扩散火焰的稳定性，尤其是来自浮力效应的影响，由于Grashof数（与压力平方成正比）的增加在高压下成为了一个需要考虑的重要的问题，这些障碍都限制了对高压层流扩散火焰中碳烟的实验研究的数量和实验研究的深度。
在最近的一篇评论论文中给出了关于高压层流扩散火焰中碳烟形成的详细解释和介入式与非介入式的碳烟测量法。对于碳烟粒子的尺寸，聚合物的大小，聚合物的分形维数，以及在大气火焰中的碳烟浓度这些方面，激光散射和消光技术都得以成功使用。尽管消光技术和光谱解析碳烟辐射都已经用于高压层流火焰中碳烟浓度和温度的测量，但是用光散射技术来确定高压扩散火焰中碳烟粒子的大小还没得到证实。另一个用来确定碳烟粒子大小和浓度的光学技术是激光诱导白炽光（LII)，这个技术已经在大气条件下成功使用。 然而，LII在高压下的应用面临几种在大气压力下不遇到的挑战，这些挑战包括在实验的完成与检测到的信号的合理解释等方面。最近在LII技术以及LII热传递模型中的一些提高在一定程度上改进了这项技术，但是LII技术是否真的能够用来测量高压下主要碳烟的尺寸依然是不确定的，而这种不确定性使用物理抽样方法成为了一种不可避免的方式。
用来得到大气压火焰中碳烟粒子特性的热泳取样法用了一种气动取样探头，Dobbins和Megaridis描述了这种取样方法，并把它们作为光学技术的补充信息。为研究大气火焰中碳烟形态的几种热泳取样法和一些列的透射电子显微镜分析已经被报道出来了，参见，例如Kouml;yluuml;等人，Hu等人，以及Hu和Kouml;yluuml;。Lee等人提出了一种改进的采样系统，也是类似Dobbins和Megaridis和提出的气动方式，但Lee所提出的取样系统减少了气动控制的系统内部振动。用于从对于从高压层流预混火焰中取样碳烟粒子，Leschowski等人提出了一种设计方案，这种方案结合了Dobbins，Megaridis以及Lee等人的想法，将实验中火焰的环境压力提高到了高压范围。
Wagner和他的同事早些时候报告了一些在冲击管热解中和高压预混火焰中主要碳烟粒子尺寸的测量值，他们从冲击管热解的燃油中得到了一些碳烟样品，通过透射电子显微镜分析，得到了压力并没有对直径从25-50atm的碳烟颗粒产生显著影响的结论。另一方面，Heiderman等人发现，在富含乙炔和空气的预混合火焰中，随着压力从70atm增加，碳烟颗粒的主要尺寸从30开始逐渐减少。
我们报告了一个多探针热泳碳烟取样系统，它是安装到一个高压室内，这个高压室能够产生高达100atm的碳烟层流扩散火焰。这个系统能提供既容易又精确的控制碳烟取样时间的途径，它是通过能在单个实验周期中连续十次取样来完成这一精确取样过程的。 此外，它不使用会产生高震动的气动驱动装置。通过使用这一系统在高压层流甲烷 - 空气扩散火焰中完成的证明性试验被研究人员广泛讨论，而且被取样探针介入火焰造成的对火焰的干扰也被提出来了。
- 热泳取样系统的设计与运行
图一.
设计热泳采样系统的目的是将其整合到现有的高压燃烧室和层流扩散火焰燃烧器中。该高压室和协流燃烧器在先前的出版物中有详细描述，强调了其充分实验能力;，所以本文只在这里总结一些描述热泳取样系统和关于它运行所必不可少的某些技术特征。实验装置的示意图如图1所示，包括光学碳烟测量系统和它大致的构造。如下图2所示是高压燃烧室和热泳取样系统的主要组成部件。
图二.
圆柱高压室内径和高度分别为24和60厘米，它能维持最高110 atm的工作压力。到达腔室的光是通过在高压腔室中间位置的三个窗口进入的，这三个窗口以90°的角度间隔分开布置允许视线测量以及90°散射和成像实验。 位于高压燃烧室中心位置的是协流层流扩散燃烧器。
协流层流扩散型燃烧器由一个与协流空气管同心的燃料管组成。不锈钢燃料管内径为3mm外径为5.7mm，外径随着14°锥形减小到一个细边以防止在出口处形成任何再循环区。位于燃料管出口上游4mm处的是一个内嵌的金属多孔材料，以使燃料管中的流体不均匀性降到最低。包住燃料管的是一个内径从18mm扩展到38mm的不锈钢协流空气管，用来容纳一个由多孔材料制成的盘子，这个盘子也是用来降低燃料管中流体的不均匀性的。协流燃烧器被一个火焰罩围住了，以此来限制火焰的不稳定性，火焰的不稳定性可能由腔室内任何再循环和浮力效应所触发。在大气环境中火焰的不稳定性非常常见，据观察，火焰的不稳定性在高压条件下会更强烈，引发火焰振荡。除了保护火焰，这个火焰罩的设计还具有两个不同的目的：（i）在燃油喷嘴口上方25mm处水平握住持陶瓷点火器（ii）通过一个在火焰罩一侧并垂直于火焰罩轴的3.5mm宽的厚槽给火焰提供一个物理通道。
以上为测量高压腔室内碳烟的热泳取样系统有三个主要部件：圆形取样盘，电机驱动器和可编程控制单元。这个系统的核心组成部分就是这个圆形取样盘，它具有十个径向向外延伸的采样探针臂，如图3和图4所示。每个径向延伸的探针臂可以调整plusmn;1.25 mm，使其能在给定燃烧器边缘上方的不同高度火焰的不同径向位置上进行取样。每个取样探头臂上持有一个直径为3mm的TEM网格，这个TED网格位于探针外端的凹部。这些圆形凹部的直径约为3.3mm深度为0.5mm。 在取样的一侧，一个2.5毫米的插槽将TEM网格暴露在火焰中。这些探针的特征在图四中有详细描绘，TEM网格被固定在耐高温的粘性胶带上了。
图三.
图四.
电机驱动系统由一个步进电机组成（Parker，型号：OS22B），一个齿轮箱（Parker，型号：10：1-PX23），一个旋转编码器（Parker，型号：755A-23A）和一个归为限制开关（Crouzet 开关，型号：831860CFD0-BL）组成，如图五。在电动机中使用的齿轮箱传动比为10：1，并具有定制设计的带法兰的输出轴用于直接连接取样器。使用的电机是一个具有微步控制功能的0.9◦步进电机，该步进电机能提供高精度角度以及操作的平稳性。步进电机的输出轴安装到一个具有柔性耦合器的齿轮箱上，以使系统振动最小化。旋转编码器被连接到步进电机的底端，在取样过程中旋转编码器追踪步进电机，并使其位移误差保持在plusmn;0.014◦以内。
图五.
取样装置通过燃烧器边缘某高度火焰横截面的速度分布是通过取样系统的可编程控制单元控制的。所以取样时间，即TED网格暴露在火焰中的时间和取样臂的速度可根据实验者的意愿来编定。 例如，控制单元可以被编程使得探针臂在到达火焰的时候减速，使TED网格在到达火焰中的最佳取样位置时速度减为零。在编写取样时间程序的结尾，取样探针加速离开火焰。这个控制单元也可以编写这样的程序使得探测臂扫描以恒定的角速度扫过火焰横截面，这是对于我们已知信息在火焰中的分布情况是均匀的时候采取的编程方式。当采样过程开始时，步进电机以所需的速度驱动取样盘并且取样探针臂旋转着通过火焰罩中的狭槽。当每个探头臂完成取样过程后，取样探针开始减速或完全停止以使火焰从被轻微扰动中又恢复成稳定的火焰，方便下一次取样过程。为了收集火焰内不同高度中的样品，火焰罩能根据所需的高度要求随时调整。
火焰的直径一般是几毫米，并且在层流扩散火焰中随着压力的增加而减少，这样在高压燃烧室中火焰就能保持稳定。用一个直径为3mm的小TED网格在给定高度火焰中以均匀角速度对碳烟进行取样将会得到该高度和直径下同一特性的碳烟。在这里的所有测量数据都是基于燃烧器边缘上方3mm的高度得出的，因为这个地方是碳烟形成的主要位置，并且它正好是在碳烟达到最大值之前的地方。
取样时间应该被严格控制以避免过多的碳烟颗粒聚集在TEM网格上形成多层碳烟。以前关于热泳取样碳烟研究和TED分析表明，碳烟的覆盖面积与网格面积之比应小于15%，用于图像的无偏差分析。 研究人员做了一系列初步试验来确定一个合适的取样时间使得不同压力下的面积覆盖比小于15%。对于取样探针以恒定角速度扫过火焰的情况，取样时间被定义为探针在该取样高度下横穿过火焰截面直径所用的时间。对于层流扩散火焰的探测，取样时间为3-8ms时能得到令人满意的实验结果。在当前设计的电机驱动下最短的取样时间是2.6ms，这是在以恒定的角速度在甲烷扩散火焰中得到的数据。
- 因取样探针引发的火焰形态变化
物理探针进入流场会对流场产生干扰并使流线发生变形。这种干扰是热泳取样技术的主要缺点之一。我们通物常假设干扰大多是流体动力学方面的，但是流场的改变也有可能影响到取样过程。量化流场改变对取样过程产生的影响是十分困难的;然而对于这个问题，高速影像可以给我们提供一些解决办法，虽然只是定性的。
我们在取样过程中使用高帧率相机（Photron，模型：SA5）以5000帧/ s的速度记录了火焰的高速视频图像。捕捉到的一系列图像显示出了由取样探针引起的不同程度的典型扰动，如图六。图六中的图像A是取样开始前稳定的火焰。图六中的图像B是显示热泳探针的边缘即将进入火焰的时候。当探头的边缘到达火焰的可见边界时，火焰由于探针的出现而略微变形，图像B。当探针上的TEM网格与火焰的中心线同心时（图像C），由取样探针带来的火焰扭曲看起来像火焰右侧的一个凹槽。当探头的后缘开始离开火焰边界，如图像D，火焰向取样高度的下游移动，似乎已经从扭曲中恢复了。从探针的前端刚到达火焰到它的后端离开火焰大概是7.6ms。在燃烧器上方3mm高处，沿着火焰中心线的轴向速度为约0.5m / s，而探头的线速度对应于7.6ms的取样时间约为0.4m / s，与火焰中心线的速度为同一数量级。后续图像显示出了各个阶段的火焰的扰动流场。图六中的最后一个图像显示在取样探针离开火焰后，火焰保持了100ms的稳定状态。
图六.
Lee 等人确认了在热泳取样收集碳烟的过程中振动和纵横比是取样过程中的主要误差。振动的起源是由于他们为了把取样探针送到所需的取样位置而用的气动装置。为了避免振动所带来的问题，我们设计了一种由步进电机所控制的探针旋转系统。Lee等人建议使用纵横比（厚度为宽度比）大于0.2的探针，而我们目前所设计的探针纵横比为0.25。
在不同压力和取样时间下，由取样探针所引起的扰动问题不断被发现，至少
全文共6089字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144754]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
