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烟尘粒子扩散火焰的测量
烟尘粒子的形成和增长在coannular扩散火焰研究了利用激光灭绝/粒径测量的散射技术。测量取得了与乙烯作为各种燃料燃油流率。研究结果表明,火焰可以大致分为两个区域。第一个特点是作为
地区经济增长的烟尘的形成过程占主导地位,而在第二个区域氧化过程占主导地位。测量结果表明,烟尘首先观察到火焰中形成低一个环形区域内主要反应区。在更高的位置这个环形区域扩大到整个火焰观察到包含粒子的空间分布的粒子体积分数,平均粒径,粒子数浓度映射
整个火焰使用瑞利散射的理论通过吸收光粒子的测量去极化的散射光和荧光也被获得,表明了物种之间的相关性负责这些流程和烟尘的增长。结果表明,粒子形成地区遵循密切Burke-Schumann比例流量的依赖,而氧化地区发生实质性的差异。测量也已获得使用乙烷作为燃料的初始比较燃料结构的影响。
- 介绍
未来利用替代(合成)燃料增加了兴趣的问题combustion-generated微粒(烟尘)的发生的煤烟颗粒具有重要影响对能源效率,硬件一生,和公共卫生。虽然研究的烟尘已报告在形成燃烧研究的历史,重要的问题仍然存在。显著的进展在过去的15年里识别可能的负责化学和物理机制烟尘粒子的形成和发展。一些广泛的评论已经出版仔细总结目前的理解烟尘的形成[1 - 6]。
最近的研究集中在提供详细的、空间测量的解决化学物种和粒子浓度字段[7]。特别是,不干扰激光散射技术的发展促进了粒子与高空间分辨率测量在预拌(8、9)和扩散火焰[10 - 12]。扩散火焰代表一个重要一步领先实践研究火焰的地方燃烧过程是由混合控制燃料和氧化剂,粒子的形成,增长,倦怠。此外,大量使用扩散的工作已经完成燃料的火焰”来形容油烟趋势(13、14),从而进一步洞察火焰提供大量的研究比较。
目前的工作包括激光光散射在层流coannular和灭绝的测量扩散火焰。测量取得了使用乙烯和乙烷作为燃料。为乙烯研究燃料流量也不尽相同火焰从nonsoot经历一个过渡排放烟尘排放条件。光散射测量被用来确定区域的粒子形成和增长在火焰中的位置的函数。测量获得的荧光和去极化率提供洞察气相过程伴随粒子形成和增长。类似的光散射测量对乙烷,降低烟尘的倾向比乙烯,为了对比粒子字段发展从不同的燃料。
- 实验
一个coannular层流扩散火焰研究了在大气压力条件下。层流火焰燃烧器由两个同心黄铜管的11。我毫米和101.6毫米身份证，空气和燃料流经中央管通过外通道。燃料通道包含屏幕和3.0毫米玻璃珠来提供一个统一的出口流量剖面。更大的空气通道还利用一系列的屏幕(40 - 70目)一段充满了3.0毫米玻璃珠。(Corning-l陶瓷蜂窝部分。5毫米细胞大小)1是用作空气的最后一部分通流部分。燃料管延伸4毫米退出飞机的空气管。流条件为这些研究选择总是在overventilated结果扩散火焰(见表1)。
长405毫米铜缸被用作烟囱从实验室盾火焰气流。槽加工的烟囱为入射激光束和提供检测的传播和散射光。每个槽高4.76毫米和25.4毫米宽。共有6个槽了;两个的传输测量,和三个检测的散射光在45°角,90°和135°(见图1)。最后槽的位置90°散射角槽,对面用于查看火焰。屏幕和流量限制器被放置的排气烟囱达到一个高度稳定的火焰通过减少任何空气再循环下侧墙和最小化夹杂空气通过插槽。流量限制器由一个140毫米直径瓷板和一个18毫米直径中心孔和三个同心5毫米直径的环孔。内直径黄铜的烟囱被匹配到外直径的燃烧器,允许适当的调整轴向槽的位置对飞机燃料通道出口的燃烧器/灯罩总成安装在铣削机基础,提供了三维的定位功能的准确性0.025毫米。
乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)气体提供从Matheson co )纯度分别为99.5%和99%,和空气提供从实验室压缩机。所有流利率与转子流量计测量使用一个肥皂泡计校准每个燃料技术。
仪器用于测量激光灭绝和散射信号图1所示。它由4 W氩离子激光器操作514.5纳米激光线的散射测量和488.0纳米线荧光实验。在每种情况下的事件10激光功率为0.5 W和调制使用机械直升机操作在1015赫兹。入射电子束也通过极化旋转器,允许调整的极化取向。激光束是确定的极化率比400:1。
光束被集中到燃烧器区域的焦距为380 mm镜头了一束的直径大约是0.2ram。我用的发射功率硅光电二极管attentuation后中性的
密度滤光片(38 ~ 2.5)减少梁强到可以接受的水平。每一个分散光接收器由一个偏振镜,圆形光圈,镜头集合,针孔孔径,激光线滤波器为514.5 nm(AX = 1海里)和一个RCA 4840光电倍增管。圆形的孔径(12.7毫米直径)定义了分散光收集立体角1.2times;10老的针孔孔径(1毫米直径)的定义样本容量为1毫米的长度光学系统是建立统一放大。1times;10的偏振器已经拒绝比4。中性密度滤光片是用来减少在需要时散射光强度。（某些商业设备,工具,和材料本文确定以指定吗充分的实验过程。在任何情况下,这样的身份意味着推荐或者背书由美国国家标准,也没有暗示的材料或设备是必要的最好的目的。）
表一
|
实验 |
燃料 |
燃料流量(cma/s) |
速度（cm/s） |
空气流量(cma/s) |
速度（cm/s） |
|
1 |
乙烯 |
3.85 |
3.98 |
713.3 |
8.90 |
|
2 |
乙烯 |
4.60 |
4.75 |
713.3 |
8.90 |
|
3 |
乙烯 |
4.90 |
5.06 |
1068.3 |
13.3 |
|
4 |
乙烷 |
3.85 |
3.98 |
1068.3 |
13.3 |
信号从单个光电倍增管通过手动电连接吗切换到一个锁定放大器操作时间常数为0.125。这个信号光电二极管是测量单独的锁定放大器。输出信号锁定放大器是数字化和存储在一个小型计算机进行后续处理。
散射光检测系统校准占入射激光的影响权力、样品体积光收集效率,灵敏度光电倍增管和电子增益的系统。校准完成通过乙烯气体,瑞利散射截面[15],通过燃料通过燃烧器和测量结果散射光。这个过程允许绝对确定的微分散射横截面单位体积Q(0),这是权力分散的方向0单位固体角、单位体积和单位事件通量(cm 1 s t - l)。在所有的实验中,入射激光束垂直极化;Qvv散射截面适用垂直极化散射光,QHV水平极化散射光。
同时光散射和灭绝测量得到的函数r几个轴向位置的径向位置火焰。z轴向位置的测量退出的燃料喷射。测量在沿着径向间隔0.254毫米一些选定的实验使用0.127毫米的间隔。去极化角不对称和荧光测量也为每个测量,选择的z值。在一段时间内也获得了100个读数
这些数据随后被平均10年代。并存储在计算机以及它们的均方根偏差。在本文中,角不对称的结果将不会讨论,只有光散射数据0 = 90°。
扩散火焰观察非常稳定。通常分散的均方根偏差光信号是由于小1至5%波动在火焰前锋的位置(而不是由于湍流)。更大的波动(~ 25%rms)被观察到在大信号的区域梯度。这些梯度可以一样大数量级在一个径向间隔(~ r = 0.254毫米)。因此即使是火焰运动小如这inteval可能结果的十分之一在一个大的变化散射信号。然而,重复实验展示了出色的再现性的散射配置文件。
以乙烯为燃料,三个流量条件进行了研究:一个烟灰吗?没有被观察到从火焰,发出第二个烟灰附近的环孔排放限制明亮的火焰边缘(称为“翅膀”[13]),最后一个条件,煤烟颗粒被排放在整个火焰区域(看到了吗（表1)。这三个被称为nonsooting病例(NS),初期的油烟(是),和油烟(S)条件。然而,应该指出的是,在所有情况下,观察到有强烈的火焰黄色的光度,表明粒子形成。上面的术语仅指烟尘是否实际发出的火焰小费。烟尘排放发生在的观察一个特定的体积流量被广泛(13、14)报道,并被用来作为基础定性排名的油烟趋势的燃料。
测量也与执行乙烷是已知低得多油烟比扩散火焰中乙烯的倾向。nonsooting乙烯和乙烷火焰被观察到的相同的火焰高度相同的燃料流量。
烟尘是观察到的条件通过火焰发出很敏感烟囱的环境。引入屏幕或散热片附近的火焰可以生产排放的烟尘流条件通常是nonsooting。事实上,一个玻璃的使用而不是金属烟囱略微会影响流量的烟尘排放
火焰观察。我们相信,这些影响是由于对温度场的影响。尤其是在上部的火焰粒子氧化发生的地方,轻微的减少温度将援助的粒子幸存的这个区域。因此,燃烧器烟囱安排随着火焰稳定技术可以影响火焰粒子场和护理需要使用不同的比较结果火焰稳定的方法。
- 数据分析
可用于测量的光学性质确定烟尘粒子属性使用的结果从电磁理论对球形粒子。Qvv的价值是由加法计算每个粒子的散射截面直径D乘以它的相对频率的发生。在瑞利极限下,当D远小于波长的散射光lambda;，Qvv的值和theta;是Qvv=pi;/lambda;）N,其中，P(D)是粒度概率函数,复杂的折射率粒子材料,N粒子的总数/单位体积。量P(D)dD代表中包含的所有粒子的分数区间
D— D dD,它遵循积分P(D)dD所有尺寸是统一的消光系数在Rayleight极限在类似的方式吸收粒子,是由其中，
在方程式。(1)和(2)据悉,N和P(D)可能是r和z的函数,因此kext和Qvv可能是位置相关的。
广义平均直径或比例是有用的，定义因此,例如,粒子体积分数仅仅是写成，鉴于方程式(2)-(4),cent;kext有关。粒子直径的比值方程式。(1)和(2)是第六个第三时刻比率D6a表达Eq。(3)直径D6z然后可以与Qvv的测量值，kex t表示，两个方程式(5)和(6)是有效的在每一个点粒子场不管的具体形式P(D),也适用于任意空间变化提供的P(D)和N D ~ x,因为数量取决于测量是时刻D6a比例高,方法是什么有偏见的最大直径。
粒子数浓度从情商决定，只有D63跟它有关。非常高的粒子浓度在火焰selfpreserving建议粒度分布函数适用(16、17)。使用expotential self-preserving分布的近似函数,该比率(D6z / Dso)3等于2.00,这也适用于对数正态分布的中间宽度。在这种情况下,数量浓度通过粒子场性质的计算光学测量使用方程式(6)和(7) = 1.57 - 0.56[18]。 =1.90 - 0.55我推荐其他人(19、20)会导致乘法因素应用4)我们的价值观,D63,N = 1.41,分别为0.792和2.83。在其它的调查(10、11)获得的数据简化粒子字段属性进行假设monodispersion出现。我们的研究结果可以直接自cent;相比是一样的这两种情况下:我们D63减少到D值N下面会乘以0.5。
在下面展示的结果是,最大的粒子观测值接近120海里。粒子的尺寸不满足标准laquo;lambda;,因此使用瑞利散射理论似乎是不合适的。然而,获得的结果的比较使用瑞利和米氏理论计算显示Dsz计算值相差约10% 100 nm粒径,增加25% 120海里。考虑到不确定性介绍了通过索引的选择折射和粒度分布函数,利用米氏散射理论与计算困难似乎不合理这一次。
应该指出,衡量它透光率是当地的综合价值消光系数沿光路通过火焰(见图2 b),为了计算中使用的消光系数方程式(5)和(6),这些综合测量必须反向收益率本地值。这是通过使用一个合适的反演技术,它假定的火焰是对称的,在得到了明确的论证数据(参见图2)。背投影卷积技术,由拉玛钱德朗[21]这是广泛应用于层析重建(22、23)是在这项研究中使用。在这个技术,透光率的概要文件在每个概要文件与M N角度测量用于确定消光系数kext。对于对称情况只有一个概要文件，在一个角是必需的,因为所有的概要文件相同的。在目前的M是典型的工作61年,N = 40中使用了相同的概要文件重建的计算机模拟透光率的领域特征类似于观察到的测量空间频率方面表示,kex t可以重建的准确性达10%或更好。
4.粒子测量
散射截面(Qvv)在0 = 90°透光率(I / Io)nonsooting测量乙烯火焰如图2所示为一个函数几家山庄的径向位置的透光率概要文件代表集成的视线通过火焰测量。径向位置是指中心线的距离对应的火焰的和弦激光束通过火焰的路径(见图2 b)。
测量显示大量的散射下方的火焰(z = 10毫米)这是局限于一个环形区域Qvv各不相同了105倍。视觉观察显示这个地区是黄色的边缘附近明亮的火焰区,但里面该地区的最高温度[24]的价值Qvv(90°)增
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