纳米流体燃料燃烧特性研究进展.pdf

环境污染和能源短缺是当今世界面临的两大难题纳米流体燃料作为一种潜在的可替代燃料不仅可以提高传统燃料的能量密度而且有望减少氮氧化物等污染物排放因而受到了研究者的广泛关注 该文首先归纳了纳米流体燃料燃烧研究所面临的难点问题进一步解析了添加纳米颗粒对单液滴、多液滴纳米流体燃烧特性的影响继而总结了连续的纳米流体燃料燃烧特性研究进展介绍了燃烧参数光学诊断方法综述了纳米流体燃料在发动机中的应用以及对污染物排放的影响关键词:纳米流体燃料燃烧特性光学诊断发动机排放中图分类号:文章编号:():./.():.:南京理工大学学报第 卷第 期 纳米流体是指把少量的金属或非金属纳米颗粒物分散到传统液体介质中制备成的均匀、稳定悬浮液 大多数研究者对纳米流体的研究集中在强化传热方面一些学者将纳米颗粒物添加到传统液体燃料中不仅可以提高传统燃料的体积能量密度及燃烧速率而且纳米颗粒作为催化剂可减少碳烟颗粒物、氮氧化物等气体污染物的排放 因此纳米流体燃料有望成为下一代新型燃料实现节能减排目前纳米流体燃料燃烧的研究相对不够深入存在的 个显著问题:一是纳米流体悬浮液的稳定性由于纳米颗粒团聚作用颗粒物易沉降如何保持悬浮液长时间的均一稳定性为研究纳米流体燃料的难点之一二是纳米流体燃料燃烧火焰诊断方法的缺乏纳米流体火焰通常包含不同种类的颗粒然而多颗粒之间的燃烧参数是相互耦合的纳米颗粒的引入对燃烧诊断方法提出了新的挑战三是颗粒物排放的问题如何捕集燃烧颗粒物产物以及添加颗粒物对发动机磨损问题的解决也是纳米流体燃料燃烧面临的难点问题本文对纳米流体燃料燃烧的研究进展进行综述从单液滴、多液滴燃料燃烧特性到连续纳米流体燃料燃烧特性的研究进行了一一概述突出强调纳米流体燃料燃烧诊断测量方法的发展 单液滴、多液滴纳米流体燃料燃烧特性 雾化燃料是由多个单液滴构成的研究单液滴、多液滴的蒸发燃烧规律是进一步研究雾化燃烧的基础目前针对纳米流体燃料燃烧特性的研究对象仍然集中在单液滴和多液滴鄂秀天凤等利用雾化激波管探究了含金属颗粒髙浓度悬浮燃料的点火和燃烧特性 结果表明纳米 粉可使环烃燃料 和四环庚烷燃料的点火延迟时间缩短约 而且能降低其表观着火能 王琪等通过液滴高温自点火的方法进行/乙醇纳米流体燃料液滴的点火与燃烧试验 通过热电偶与温度采集仪的结合测定纳米流体液滴的点火延迟与点火温度也从温度梯度、纳米流体液滴浓度、液滴行为以及 粉粒径等方面详细比较各对照组之间的点火延迟时间与点火温度差异进一步论证 纳米颗粒的加入可以降低液态碳氢燃料液滴的反应活化能提高纳米流体液滴的导热性促进液滴燃烧的微爆炸 同时总结分析微爆炸发生的原因以及时刻揭示纳米流体液滴燃烧时发生微爆炸的机理 等将硝基甲烷液体燃料、悬浮.氧化铝纳米颗粒的硝基甲烷悬浮液、悬浮.氧化硅纳米颗粒的硝基甲烷悬浮液、悬浮.功能化石墨烯的硝基甲烷悬浮液置于定容光学压力容器中并通入氩气使得硝酸甲烷在无氧高压环境下稳定持续燃烧通过观察数码摄像机记录的燃烧过程判断稳定燃烧速率试验结果表明:添加纳米材料的硝基甲烷液体燃料具有更低的点火温度以及更高的燃烧速率其中又以悬浮功能化石墨烯的硝基甲烷悬浮液的燃烧速率最大硝基甲烷悬浮液的燃烧速率随纳米材料含量的增加而提高并随压力的增加而下降直至压力到达临界点时硝基甲烷悬浮液燃烧速率不再因纳米材料的添加而提高 等将纳米铝颗粒和微米铝颗粒分别加入到正癸烷中制备了/纳米流体燃料和/混合燃料并将两种燃料的液滴置于碳化硅纤维上观察其燃烧过程/纳米流体燃料单液滴的燃烧过程包括液滴预热点燃、燃烧、微爆、表面活性剂燃烧以及纳米铝燃烧 个过程而/混合燃料单液滴的燃烧过程仅包括液滴预热点燃、燃烧、微爆 个过程 此外/纳米流体燃料单液滴燃烧过程中在一次微爆发生后液滴再次微爆强度增大并使得纳米颗粒在后续微爆中溅射出来在高温空气中进一步燃烧 在液滴燃尽后未燃颗粒会形成团聚物 液滴燃烧过程中纳米颗粒会因为不同的团聚程度产生不同的燃烧结果 等将纳米硼颗粒和纳米铁颗粒分别加入到乙醇和正癸烷中形成纳米流体燃料研究了纳米颗粒类型、纳米颗粒浓度以及基液类型的不同对于纳米流体燃料燃烧过程的影响研究表明高浓度的纳米流体燃料液滴的燃烧过程可以分为液滴的燃烧与团聚物颗粒的燃烧两个阶段而低浓度的纳米流体燃料液滴的燃烧过程中液滴的燃烧与颗粒物的燃烧是同时进行的 同时以正癸烷为基液的纳米流体燃料液滴在燃烧过程中会产生气泡并发生液滴破碎使得大量的纳米颗粒被溅射出去在空气中燃烧乙醇为基液的纳米流体燃料液滴破碎没有正癸烷强烈 等研究了添加石墨烯煤油的燃烧特性试验发现石墨烯的比表面积对燃烧特性的总第 期刘冠楠 于润田 刘 冬 纳米流体燃料燃烧特性研究进展 影响并不显著然而石墨烯的惨混比对燃烧速率的影响十分明显若添加.质量分数的石墨烯燃烧速率可以提高约.使用非接触式的红外吸收技术测量气体的温度分布并且与热电偶比较得出火焰发射率发现纳米流体燃料的火焰温度相对恒定 近期 等对添加石墨烯以及纳米铝颗粒的火箭用煤油的喷雾燃烧特性进行了研究分析了纳米颗粒对喷雾液滴大小、火焰温度、火焰抬举高度以及一氧化碳()排放的影响发现添加纳米颗粒可以使喷雾液滴尺寸增加 通过对火焰温度以及 浓度的分析证明了纳米颗粒可以促进液体燃料的反应速率 等发现悬浮全氟十六烷酸()包裹的纳米铝颗粒的煤油液滴的燃烧速率比悬浮纳米铝颗粒的煤油液滴及纯煤油液滴更高使用热重分析仪分析表明悬浮全氟十六烷酸包裹的纳米铝颗粒()的煤油液滴的蒸发温度较低进一步说明在液滴燃烧过程中 颗粒可以通过相变和对流促进能量传输 等对比了高温下单液滴和具有不同排列方式的双液滴的点火和燃烧特性研究发现庚烷中添加蓖麻油酸及纳米铝颗粒可以提高基底燃料的点火性能庚烷的点火延迟时间下降了及 与单液滴对比双液滴周围具有更高的可燃气体浓度可较大程度上减小点火延迟时间相比于平行排列的液滴垂直排列的方式具有更好的点火性能 随后部分学者将研究重心放在了悬浮两种颗粒的纳米流体燃料上 等研究了纳米氧化铜()对铝/煤油基纳米流体液滴点火延迟时间、点火温度、液滴行为、燃烧速率和燃烧强度的影响 结果表明在./煤油基纳米流体燃料中加入.对较低温度()下的点火延迟时间和点火温度影响不大但是氧化铜的加入显著提高了铝纳米颗粒的燃烧强度和燃烧效率 等研究了/煤油的点火和燃烧特性使用差示扫描量热分析()测出 的添加可以促进铝颗粒的放热过程从而加速/煤油液滴的蒸发/煤油的燃烧过程包括点火、燃烧、蒸汽火焰消失、以及团聚物燃烧相比于煤油/煤油的点火延迟时间缩短了 由此可见由于颗粒的物理特性以及传热作用在基础燃料中添加纳米颗粒可以显著增加液滴的蒸发速率和燃烧速率减小点火延迟时间降低点火温度尤其是添加石墨烯等碳材料以及铝等含能纳米材料 连续纳米流体燃料燃烧火焰研究为了更好地应用纳米流体燃料仅研究单液体的蒸发和燃烧是不足够的连续纳米流体燃料燃烧过程的研究是必不可少的 等研究了添加活性纳米铝颗粒的雾化癸烷燃料的扩散燃烧 特 性 使 用 相 干 反 斯 托 克 斯 拉 曼 光 谱()诊断方法测量了火焰温度分布研究表明在火焰轴向以及近火焰锋面的部分负载少量(.)颗粒的复合燃料燃烧温度明显高于纯癸烷的燃烧温度 等研究了添加硼()及聚四氟乙烯()的 纳米流体燃料的燃烧特性使用光纤光谱仪测量不同燃料燃烧火焰的发射光谱特征峰试验发现添加纳米 颗粒的 的光谱发射强度要高于不添加纳米 颗粒的燃料由于 的氧化层与 之间的反应同时添加 及 的 发射光谱强度最高且在燃烧过程中检测到了()(.)以及(.、.)证明了 具有促进 颗粒燃烧的作用 等采用高速 散射和化学发光方法研究了纯乙醇和/乙醇纳米流体燃料的喷雾和燃烧特性 研究发现在雾化过程中与纯乙醇燃料喷雾相比/乙醇纳米流体燃料中由于纳米 颗粒的加入延缓了液柱的破裂和液滴云的形成同时增加了燃料粘度和表面张力使得/乙醇纳米流体燃料喷雾中的平均液滴尺寸大于纯乙醇燃料 在燃烧过程中由于/乙醇纳米流体燃料的液滴尺寸更大粘度较高/乙醇纳米流体燃料火焰中液滴的蒸发速度比纯乙醇燃料火焰要慢与纯乙醇燃料火焰相比/乙醇纳米流体燃料火焰燃烧温度更高/乙醇纳米流体燃料火焰有明显的点火延迟主要是由于 颗粒表面有三氧化二硼氧化层 另一个与点火延迟有关的关键参数是 颗粒的粒径结果发现由于相应的比表面积增大点火延迟与颗粒粒径成正比 双色法应用到了含硼乙醇基的纳米流体以及含钛铝硼纳米粉末的柴油基的纳米流体燃料燃烧火南京理工大学学报第 卷第 期焰测温中但均是基于颗粒物的平均发射特性并没有考虑不同颗粒物的不同发射特性 等使用半开槽的细管研究了含 和铁()的乙醇基和丁醇基纳米流体燃烧特性使用图像处理方法分析了火焰的几何参数特性(火焰长度、点火面积、几何中心)试验结果表明:在低流速情况下火焰重复发生重燃、稳定燃烧、接近熄灭等现象在中流速情况下火焰高度增加并且火焰趋于稳定在高流速情况下火焰不稳定并且容易受液滴的影响纳米流体燃烧火焰不仅含有碳烟颗粒物还包含金属氧化物等纳米颗粒然而目前的燃烧诊断模型仅适用于含一种颗粒物的燃烧体系燃烧诊断方法的局限性在一定程度上阻碍了纳米流体在燃烧领域的研究进展有必要建立针对纳米流体燃烧火焰的诊断技术有助于更系统地开展纳米流体燃烧研究工作进而更有效地应用纳米流体燃料 燃烧火焰温度场作为确定物质状态和反映燃烧反应过程的最重要参数之一是燃烧诊断的核心 颗粒物浓度场是高温火焰的另一关键燃烧诊断参数不仅反映了燃烧反应过程而且反映了颗粒物的控制排放 热辐射不仅是能量传递的一种方式也是信息传递的载体热辐射传输在国防科技、动力、化工、材料、新能源、生物技术、信息等工程领域有着广泛应用 基于辐射反问题的非接触式测温法逐渐成为燃烧诊断技术的研究热点此方法具有低成本、易操作等优势综合了图像处理技术、计算机技术、技术不仅可以得到介质表面温度信息还可以得到介质温度分布信息是一种先进的现代火焰诊断技术 近年来作者基于辐射反问题针对复杂多颗粒体系使用光纤光谱仪及电荷耦合器件()相机建立了一套求解重建火焰温度及多颗粒浓度场的重建模型 接下来将选取重点重建模型进行介绍 等首先假设了燃烧对称光学薄火焰将对称火焰横截面均分为多个环基于光纤光谱仪及 相机发射光谱的重建系统如图 所示 温度场和颗粒浓度场重建反问题求解的难点在于不仅温度和浓度是耦合在一起的同时多颗粒的浓度场也是相互耦合在一起的 针对此难点的解决方法引入了一个新的变量参数即不同颗粒物之间的体积分数比并根据获取体积分数比的不同方式提出两种不同的重建策略最终实现不同颗粒发射辐射信息的成功解耦图 基于光谱仪和 相机的重建示意图具体地第一种结合了热泳探针采样及透射电镜()分析技术区分不同种类的颗粒并测量得到不同颗粒物之间的体积分数比第二种基于多光谱技术配以一维搜索算法对不同颗粒物之间的体积分数比进行由内环向外环的逐环求解进一步地使用非线性优化算法替代一维搜索算法避免了一维搜索算法中步长的设定对重建精度的影响在保证重建精度的同时降低了计算时间 针对第一种重建方案当辐射强度分布测量噪音较高(信噪比高于 )时温度场、碳烟浓度场以及的浓度场与准确的输入分布保持较高的重合度较明显的差异仅出现在火焰中心处也即火焰的低温区域 低温区发出的辐射能量信息较弱且易受到测量误差的干扰因此低温区域相对较难重建 技术使用探针插入火焰不可避免地对火焰流场产生干扰且在一定程度上降低了时间和空间的重建分辨率 针对第二种重建方案则无需使用 技术结合非线性优化算法确定两种颗粒物的体积分数比 图 展示了不同算法和不同步长条件下对应的平均相对重建误差和计算时间 在一维搜索()方法中较小总第 期刘冠楠 于润田 刘 冬 纳米流体燃料燃烧特性研究进展 的步长对应于更高的重建精度及更长的计算时间 当辐射强度存在测量误差时非线性优化()算法的重建精度略高于 步长.当辐射强度不存在测量误差时采用两种算法得到的重建结果具有相似的重建精度 对比 步长.和 的计算时间其中 步长.的计算时间比 长约 倍图 和 方法反演获取的相对重建误差和重建时间的对比 对于光学厚度较小的火焰“自吸收”项的忽略对重建精度的影响不大但在光学厚度较大的火焰中“自吸收”项的忽略会引起可观的重建误差 进一步地 等采用迭代算法将“自吸收”影响考虑在重建模型中 无论是否考虑自吸收的作用位于.处的重建结果几乎不受噪音影响 当自吸收被忽略时无论噪音级别温度分布被平均低估 左右而碳烟浓度分布和 浓度分布均被平均高估 左右 当考虑自吸收时由无测量误差的辐射强度反算得到的重建结果与输入的分布几乎一致 个参数场的重建精度均随信噪比的下降而略有增加针对复杂燃烧非对称火焰 等重新设计了重建系统讨论了网格划分方法对重建结果的影响图 展示了系统为 条件下的重建结果其中温度场的最大相对重建误差为.碳烟浓度场及 浓度场的最大相对重建误差均小于.进而将多颗粒的自吸收作用添加到重建模型中提高了重建精度由于颗粒物长时间易沉降易堵塞喷嘴导致连续纳米流体燃料燃烧试验台的研究较为困难并且多颗粒的同时存在对现有的燃烧诊断测量方法提出了新的挑战如何有效应用所建立的模型从而获取准确的温度场等燃烧参数分布也是未来试验研究的一个重点 纳米流体燃料柴油机排放特性有不少研究者在发动机中对纳米流体燃料进行了测试实际研究了纳米流体燃料作为可替代燃料的可行性 研究的主要是以金属及非金属单质颗粒、金属及非金属氧化物颗粒、碳基材料颗粒、磁性颗粒和部分多组分颗粒分散于传统碳氢燃料和生物燃料中的形式 等从纳米流体燃料的制备到应用全面梳理了纳米添加剂对柴油生物柴油混合燃料的作用并指出金属、碳纳米管添加物可以减少污染物的排放同时提高发动机的工作性能二氧化钛()纳米颗粒物可以更有效地提高发动机功率金属纳米颗粒物可以缩短点火延迟时间、提高热值及氧化速率进而促使完全的清洁的燃烧 等在.的浓度和 温度下研究了用于内燃机的含氧化锌纳米颗粒和双壁碳纳米管()的乙二醇()基混合纳米流体的热导率研究发现在温度为 且浓度为.条件下相对热导率可达到最大为.经济评估以及定性性能分析可知纳米流体可显著提高热导率且具有经济性 等将纳米磁性铁颗粒加入山楂油生物柴油中在四冲程压燃式(南京理工大学学报第 卷第 期)发动机上进行性能测试 研究结果发现 排放平均减少.未燃尽碳氢化合物排放平均减少.氮氧化物排放平均减少.等研究了添加剂对生物柴油燃料压缩点火发动机性能的影响 由于生物柴油的低温特性和低热值使用生物柴油会损失发动机功率然而添加剂可以改善生物柴油的冷流性能 添加金属基添加剂可以提高生物柴油的闪点、凝固点和粘度含氧添加剂可降低密度和粘度并增加氧含量添加抗氧化剂可提高生物柴油的闪点、十六烷值和氧化稳定性但会降低热值 等研究了二氧化铈()纳米粒子对双燃料柴油发动机在不同负荷下的燃烧、性能和排放特性的影响 研究结果表明添加 甲醇基燃料的峰值放热率和峰值气缸气体压力比柴油燃料提高了.和.比甲醇燃料运行时发动机的制动比 能 耗 降 低 了.制 动 热 效 率 提 高 了.并且较大程度地降低了碳氢化合物()和、氮氧化物()和烟气不透明度的排放 等对单缸压燃式发动机中使用纳米流体燃料的燃烧特性、发动机性能和排放参数进行了试验研究对于高负荷下的发动机含 纳米流体燃料的气缸峰值压力下降燃油消耗率降低与柴油燃料排放相比当发动机分别添加 和 时 排放量减少了 排放量减少了 和 图 重建系统 由此可见在发动机燃料中添加纳米颗粒不仅可以提高发动机的制动性能而且可以降低 等气体污染物的排放但是需要解决的问题为纳米颗粒在发动机运行时是否损害发动机以及纳米颗粒燃烧产物如何捕集 结束语本文综述了单液滴、多液滴到连续的纳米流体燃烧特性以及纳米流体燃料在发动机中的应总第 期刘冠楠 于润田 刘 冬 纳米流体燃料燃烧特性研究进展 用目前关于纳米流体燃料的研究还存在以下不足:()纳米流体燃烧特性的研究主要集中在单液滴、液滴群关于纳米流体燃料连续燃烧的研究比较匮乏并且缺少燃烧诊断方法()无论是对液滴还是连续的纳米流体燃料研究较浅主要是对点火和燃烧特性的观察局限于试验现象燃烧模型和理论较为匮乏()针对纳米流体燃料在内燃机中的应用研究重点在发动机性能及污染物排放忽略了燃烧过程颗粒物间的相互作用以及潜在的化学反应对纳米流体燃料下一步研究提出了以下展望:()探索制备均一、稳定的纳米流体燃料方法提高悬浮液的稳定时间发展纳米流体制备调控机理()从物理和化学方面出发结合有效的光学诊断方法深入探索纳米颗粒对基础燃料的影响建立纳米流体燃料燃烧不同颗粒之间相互作用机制获得单液滴、多液滴以及连续流体的燃烧模型()研究颗粒燃烧产物对发动机以及对环境的影响探索颗粒燃烧产物的捕集方法减少实际应用中添加剂造成的影响从而更好地应用纳米流体燃料参考文献:.:.():.:.:.李强.纳米流体强化传热机理研究.南京:南京理工大学.徐小娇刘妮王玉强等.纳米流体悬浮液稳定性的最新研究进展.流体机械():.():.解国珍齐好王刚等.纳米工程流体研究进展.纳米技术与精密工程():.():.姚远陈颖陆振能等.纳米流体制备技术与组成结构的研究进展.流体机械():.():.王玉强刘妮陈伟军等.纳米流体应用于强化传热的研究进展及面临的挑战.低温与超导():.():.().():.():.():./.():.():.:.南京理工大学学报第 卷第 期 .:.():.:.:.():.鄂秀天凤张磊谢君健等.添加纳米铝的高密度悬浮燃料点火性能.含能材料():.():.王琪朱宝忠孙运兰等.乙醇基纳米流体燃料液滴着火燃烧研究.燃烧科学与技术():.():.():.():.():.:.():.:.:.():./.:./.:.:.:.:./.:.代宝鑫季言午张思懿等.铝油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴着火燃烧特性.过程工程学报():./.():./总第 期刘冠楠 于润田 刘 冬 纳米流体燃料燃烧特性研究进展.():./.:.():.():.():./.:./.:.:.齐宏阮立明谈和平.辐射传输逆问题的智能优化理论与应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.:.:.:.:.:.:.:./.:.:.:.南京理工大学学报第 卷第 期():.:.:.():.:.:.:.:.:.:.():.:.:.:.:./:.:.:.:.:.总第 期刘冠楠 于润田 刘 冬 纳米流体燃料燃烧特性研究进展:.:.:.:.:.():.():.:.:.:.():.