燃烧技术的发展曾经代表了人类社会的文明程度，如今，基础燃烧研究在国民经济发展、节能减排和国防安全等重大战略需求方面起着重要的作用^[1]。研究表明，几乎所有的碳氢燃料燃烧都会产生碳烟。

碳烟能够引起温室效应，且仅次于二氧化碳的作用，这是因为碳烟能够强烈地吸收辐射并释放到大气中，从而引起大气升温；碳烟还会抑制对流层臭氧的形成，这是因为碳烟能够散射紫外线从而影响大气中光的分解率进而影响臭氧的生成；此外，碳烟还会干扰局部地区的水文循环，改变季风气候，降低能见度^[2]。碳烟颗粒对人体健康也有巨大的危害。碳烟颗粒极小，分散在空气中，容易被吸入肺部，造成呼吸道炎症^[3]。其次，碳烟颗粒表面粘附的多环芳烃有机物，目前已知的对人体影响有降低心肺功能、引发心血管病，儿童哮喘病、增加患癌风险^[4]。碳黑的生成不仅对人体健康和环境有重要影响，而且降低了燃烧效率。碳烟的产生表明了燃料的未完全燃烧，同时碳烟的辐射效应会使温度降低。

近年来，随着工业兴起，汽车保有量增加，可吸入颗粒物的污染趋势日益明显，如何控制燃烧，减少燃烧排放成为热门课题。碳烟生成不仅是化学反应过程，还涉及了物理过程，对碳烟生成机理和演化过程的认识可以根本上有效抑制碳烟的排放^[5]，这对环境保护、节能减排具有重要意义。

国内外学者通过实验和数值模拟对火焰碳烟的生成做了大量的研究。碳烟的生成是十分复杂的，碳烟颗粒的形成经历了燃料裂解、成核、凝结、碰撞粘附和表面氧化生长^[6]。实际燃料的燃烧过程会产生许多复杂的化学组分，这些组分对碳烟形成的作用需要依赖对其中的化学动力学的理解，这在实验中很难具体描述，由此，本文采用化学反应动力学大型软件包CHEMKIN，基于C1-C3/O2/N2的对冲火焰（OPPDIF）模型，研究了氧气掺混对非预混火焰的碳烟结构的影响，对比研究了氧气掺混对甲烷、乙烯和丙烷的碳烟生成特性，以及分析了氧气掺混对碳烟生成的化学作用及其对燃料的依赖性。

气相燃烧化学反应动力学的研究在国外已开展了三十余年，有关火焰碳烟的研究不计其数^[7]。国外率先发展了详细的化学反应动力学机理，基于此对对冲火焰、扩散火焰和预混火焰的碳烟形成过程以及相关组分进行了详细的研究。常用的机理包括Wang-Frenklach机理^[8]，ABF机理^[9]和KM2机理^[10]等。K.L.McNesby、A.W.Miziolek等人^[11]基于详细的化学动力学燃烧机理研究了燃料侧或氧化剂侧添加乙醇蒸汽对乙烯/空气对冲扩散火焰中碳烟形成和OH自由基浓度的影响，指出在空气侧添加乙醇，会因为热机制降低碳烟浓度，而在燃料侧添加则会引入甲基自由基从而增加碳烟；H.P.Mungekar和A.Atreya^[12]研究了部分预混的甲烷/氧气对冲火焰碳烟结构的变化，指出部分预混的稀释、化学和流场效应会抑制碳烟生成，而且部分预混引起的碳烟颗粒温度-时间历程的变化对碳烟的生长过程有很大影响；J.F.Roesler^[13] 指出在对冲扩散火焰中甲烷对烷烃燃料具有协同作用，能够产生更多的多环芳烃和碳烟；A.Beltrame^[14]等人的研究表明氧化剂侧氧浓度的增加会使甲烷对冲火焰碳烟体积分数增大，NO浓度小幅度下降；M.D.Smooke^[15]的研究则表明燃料的增加也会促进碳烟体积分数增大；C.R.Shaddix^[16]等的研究指出湍流速率对碳烟具有抑制作用。

国内研究在国外的基础上进行，包括燃料稀释、富氧燃烧、反应机理和反应气氛等对碳烟等污染物的影响。在详细研究碳烟生成机理^[17-21]的基础上探究了CO2^[22-23]甚至微重力^[24]等对碳烟的影响。张引弟^[25]还对复杂的详细机理进行简化，并给出了简化的方法。此外，燃料侧氧气掺混或氧化剂侧富氧燃^[26-29]也被广泛的研究。

尽管国内外学者已经对氧气掺混的燃烧做出了许多研究，但是在氧气掺混对燃料的依赖上的研究很少。基于此本文对氧气掺混对C1-C3燃料对冲火焰碳烟生成特性进行了研究，除了探究氧气掺混对碳烟的生成特性，还寻求氧气掺混对燃料的依赖性。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究（设计）的基本内容

本研究基于CHEMKIN软件，采用数值模拟的方法，研究C1-C3/O2/N2对冲火焰中燃料侧氧气掺混对碳烟结构的影响，具体研究内容如下：

1. 1. 了解研究碳烟生成的意义和背景；