摘 要

目前以及未来一段时间，全世界的能源使用率将会不断提高，社会对使用传统燃料的燃烧装置仍具有较大的依赖性，这会导致碳烟和其他有害污染物的排放，增加对环境的破坏。为了减少碳烟污染需要对碳烟的生成机理进行研究。研究过程中对碳烟的测量是必不可少的环节。碳烟测量有侵入式测量和非侵入式测量两种方式，非侵入式测量因为具有着干扰小且能进行实时测量的特点被大量使用。碳烟光谱发射技术(SSE)是一种利用碳烟自身辐射的非侵入测量方法，有着原理简单、操作简便等优点，非常适用于测量密闭环境中的火焰。在过去的研究里，SSE较常被用在层流射流火焰中，在层流对冲火焰的运用较少，而层流对冲扩散火焰是一种准一维火焰，其对碳烟生成机理研究具有非常重要的意义。针对此问题，本文旨在设计一套针对层流对冲扩散火焰的测量系统以测量对冲火焰中的碳烟体积分数和碳烟温度。

本文设计了采用SSE技术测量对冲扩散火焰碳烟温度和碳烟体积分数的实验系统，其中包括标定系统、定位系统、整体光路布置及数据处理方法，并且针对碳烟测量中存在的火焰辐射衰减、E(m_λ)的取值和辐射聚焦偏移的问题进行了讨论，对使用的数据处理方法进行了精度分析。设计的测量系统仪器利用率高，实验步骤简单且可靠。

最后运用设计的测量系统选取500-700nm的波段对乙烯对冲扩散火焰进行了测量，使用标定曲线，得出不同高度s不同位置r辐射线积分随波长的变化数据，通过对数据进行修正并进行阿贝尔反演得出火焰平面不同波长碳烟发射率随位置r变化的数据，通过最小二分法得出碳烟温度和浓度在火焰平面内的分布，给出了碳烟温度和浓度在轴线方向上的变化趋势，最后对系统涉及到的系统误差进行了讨论。

关键词：碳烟测量；系统设计；SSE；对冲扩散火焰；SVF；三次样条插值

ABSTRACT

At present and in the future, the energy utilization rate of the world will continue to improve, and the society still has a greater dependence on the combustion devices using traditional fuels, which will lead to the emission of soot and other harmful pollutants, and increase the damage to the environment. In order to reduce the pollution of soot, the formation mechanism of soot should be studied. The measurement of soot is essential in the research process. There are two methods of soot measurement, invasive measurement and non-invasive measurement. Non-invasive measurement is widely used because of its small interference and real-time measurement. The spectral soot emission (SSE) technique is a non-invasive measurement method which uses the self radiation of soot. It has the advantages of simple principle and simple operation, and is very suitable for measuring flame in closed environment. In the past research, SSE is often used in laminar flame, less in laminar counterflow flame, and laminar counterflow diffusion flame is a quasi one-dimensional flame, which is of great significance to the study of the mechanism of soot generation. In view of this problem, this paper aims to design a measurement system for laminar counterflow diffusion flame to measure soot in the flame Integral number and soot temperature.

In this paper, an experimental system is designed to measure the soot temperature and soot volume fraction of the counter diffusion flame by SSE technology, including the calibration system, positioning system, overall optical path layout and data processing methods. The problems of flame radiation attenuation, E(m_λ) value and radiation focus shift in soot measurement are discussed, and the data processing methods used are discussed Accuracy analysis. The designed measuring system has the advantages of high utilization rate of instruments, simple and reliable experimental steps.

At last, we use the designed measuring system to measure the ethylene counterflow diffusion flame in the band of 500-700nm. Using the calibration curve, we can get the data of the integration of r radiation lines with the wavelength at different positions of different heights S. through the data correction and Abel inversion, we can get the data of the emissivity of soot with the position r at different wavelengths of the flame plane. The distribution of soot temperature and concentration in the flame plane is obtained by the minimum dichotomy, and the trend of soot temperature and concentration in the axial direction is given. Finally, the system error involved in the system is discussed.

KEYWORDS: soot measurement; system design; SSE; conterflow diffusion flame; SVF; cubic spline interpolation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 设计的背景 1

1.2 碳烟生成机理 1

1.3 层流火焰 2

1.4 碳烟测量方法 4

1.4.1 侵入式测量 4

1.4.2 非侵入式测量 4

1.5 研究现状 6

1.6 课题主要内容 7

第2章 测量原理及方法 8

2.1 辐射 8

2.2 辐射定律 8

2.2.1 黑体辐射基本定律 8

2.2.2 比尔-兰伯特定律 9

2.2.3 基尔霍夫定律 10

2.3 SSE测量原理 10

2.4 实验方法简述 12

2.5 本章小结 13

第3章 标定、定位系统设计 15

3.1 标定系统 15

3.1.1 标定的意义和原理 15

3.1.2 标定流程 15

3.2 定位系统 17

3.2.1 定位的意义 17

3.2.2 水平方向上的定位 17

3.2.3 竖直方向上的定位 18

3.3 本章小结 19

第4章 测量系统设计 20

4.1 光谱仪、CCD相机 20

4.1.1 光谱仪工作原理 20

4.1.2 CCD工作原理 21

4.1.3 光谱仪和CCD型号 22

4.2 系统布局 24

4.3 数据处理 25

4.3.1 阿贝尔逆变换原理 25

4.3.2 三次样条插值法 26

4.3.3 数值实验 27

4.3.4 实验结果和数据 30

4.3.5 误差分析 32

4.4 本章小结 33

第5章 总结 34

参考文献 36

致谢 38

绪论

设计的背景

预计从2020年到2040年，全球能源需求量预计将增加30%^[1]。鉴于目前的能源使用技术水平，社会对使用传统燃料的燃烧装置仍具有较大的依赖性。传统燃料燃烧会导致一系列污染物排放，包括一氧化碳、一氧化氮和颗粒物等。通过控制这些污染物的排放，能够有效保持人类赖以生存的生态环境健康。

这些污染物中，颗粒物是形成大气污染和雾霾的重要因素，这些颗粒物的主要成分即为碳烟。碳烟是化石燃料不完全燃烧的产物，有研究表明碳烟与人的死亡率存在一定联系，大气 PM10 每增加10μg/m³，居民总死亡率增加0.35%，由心血管疾病引发的死亡率增加0.56%^[2]。另一方面它还会引起全球变暖，冰川融化和海平面上升等问题。还有研究表明，机动车尾气排放是大气环境中PM2.5的主要来源之一[3]。为解决上述问题，需要在燃烧过程中尽可能地抑制碳烟的生成，在这种情况下，了解碳烟生成的物理化学途径即碳烟生成机理尤为重要。通过对燃烧过程中的碳烟生成进行跟踪测量，了解碳烟生成的各种因素，再通过最终决策可以达到提升燃烧效果，减少碳烟排放，提高经济效益的目的。所以问题的关键在于设计一套能够有效进行碳烟测量的实验系统，以为碳烟生成过程提供给更多更准确的实验数据，为详细研究碳烟生成机理，建立碳烟生成模型提供数据支撑。

碳烟生成机理

碳烟的生成过程是一个极其复杂的物理化学过程，包括燃烧流场的各种能量交换和物质交换以及不计其数的分步化学反应，这个过程有两个特点：一方面，在时间尺度上，碳烟的整个生成过程十分迅速，为微秒量级，这便导致了对过程的实时跟踪测量具有较大的难度；另一方面，过程中具有影响因素的分子不仅体积小，而且具有十分复杂的相互作用，对碳烟生成的机理分析比较困难。尽管如此，经过国内外学者在碳烟生成方面的研究，也取得了许多成就和突破。