基於分形理論的柴油機排放顆粒物生長過程研究

《基於分形理論的柴油機排放顆粒物生長過程研究》是依託武漢理工大學，由魏明銳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於分形理論的柴油機排放顆粒物生長過程研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏明銳
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

碳煙顆粒物是柴油機排放的主要污染物，目前對其形成機理的認識尚且不足，本項目基於現代分形理論對此進行深入研究，主要涉及：1.基於均相飽和理論構建顆粒物初始胚核的成核模型，獲得初始胚核的成核速率、臨界成核直徑和時空分布；2.利用分形理論對成核後顆粒物的運動碰撞、凝聚、表面沉積、聚集體斷裂等動力學演變過程建立物理數學模型，確立顆粒物的分形特徵與其生長環境如環境溫度、壓力、組分濃度、輸運參數和流態等因素之間的關係。據此研究燃燒系統的結構、工況、燃料、火焰結構對顆粒物生長的影響，獲得顆粒物形貌結構、聚集狀態等信息，探討其分形結構的形成機制；3.在實驗台架上對柴油機顆粒物進行抽樣和電鏡分析，結合圖像分析技術，確定顆粒的分形結構特徵。.將分形理論套用於柴油機顆粒物生長過程的研究，研究成果可為改善燃燒和研發先進的顆粒物排放控制技術提供理論依據，對降低燃燒源顆粒物排放、解決環境污染問題具有重要的科學意義。

結題摘要

柴油機排放的碳煙顆粒物對人體健康和環境危害極大，為充分了解其形成過程、降低其排放，本項目基於現代分形和相關理論對此進行了深入研究。碳煙生成始於成核，成核過程直接關係到碳煙排放預測的準確性，而多環芳香烴分子（PAHs）作為碳煙成核的重要前驅物，其生長機理的研究尤為重要，本項目以苯基為模型，以乙炔，乙烯基或乙烯基乙炔為加成物，獲得了苯環生長到萘環的詳細機理，完善了目前的PAHs生長路徑。碳煙成核過程也是碳粒生長演變中最具爭議的部分，國內外有關碳煙成核組分的研究都還在不斷的探索和完善之中，本項目使用分子動力學方法研究了菲分子（A3）的碰撞過程，構建了兩個A3分子的原子模型，證明了其成核的可能性，為碳煙成核組分的確定提供了理論依據。對於碳煙顆粒成核後的運動碰撞、凝並、表面沉積、聚集體斷裂等動力學演變過程，本項目採用Fortran語言，構建了碳煙顆粒凝聚成核的分形數學模型和生長演變模型，引入了分形維數、包容半徑和凝聚體體積來描述凝聚體的分形生長特徵，分別基於矩方法和Monte Carlo方法求解了顆粒群平衡方程，考察了生長環境及燃料添加對碳煙顆粒生長演變的影響，獲得了碳煙顆粒形貌結構、聚集狀態、不同火焰結構下的尺寸分布狀態等信息，進一步掌握了碳煙顆粒的生長演變及抑制其生成的相關措施。本項目還基於柴油機實驗台架及相關測量設備（場掃描電鏡、透射電鏡和快速回響顆粒分析儀DMS500等），進行深入系統的試驗研究，獲得了顆粒物微觀結構、形貌特徵、分形維數等，及其與柴油機工況的關係，同時還獲得了柴油機工況和燃料結構對顆粒物尺寸、數量和質量的影響。研究發現結合先進控制技術，如噴油策略和EGR等，含氧燃料添加可有效降低聚集態顆粒物（50nm<粒徑<1000nm）數量，從而使顆粒物總質量排放降低，但卻使核模態顆粒（粒徑<50nm）的數量增加，而核模態小顆粒對人體健康和環境危害更大。本項目研究對於緩解能源危機和降低大氣污染問題具有極其重要的理論價值和現實意義。