臭氧活化的正庚烷冷焰燃烧化学组份分布研究
开题报告
文献综述
研究背景及意义
社会的快速发展，导致能源、环境与人的关系愈发严峻。随着石油资源的过度开采和利用，世界各国都在面临着同样的问题：资源枯竭与环境污染。汽车尾气排放是造成环境污染（尤其是大气污染）的重要原因。机动车保有量的增加，随之而来的尾气排放的问题日益严峻。诸多高压低温燃烧策略如均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）、反应性控制压燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）等[1,2,3]的研究和应用，有效的提高了发动机的燃烧效率，并在一定程度上减少了污染物的排放。与传统发动机高温由预混、非预混热火焰主导的燃烧控制策略有所不同，在新的燃烧策略中燃料的自燃与冷焰燃烧对发动机的燃油消耗和放热率等产生重要的影响。
冷焰广泛存在于碳氢燃料的点火燃烧过程中，在发动机实验以及数值模拟等[4,5] 研究过程中均能观察到低温冷焰的形成。低温点火是实现低污染排放燃烧的关键环节，全面了解和控制低温冷焰及冷热火焰之间的转换能力，对减少发动机污染排放、提高发动机效率性能有重要的作用；废气再循环（EGR）[6,7]的应用在一定程度上抑制热火焰的产生，从而使得冷焰的产生和存在变得更加容易，二氧化碳引入对发动机燃烧污染物的生成和排放产生一定的影响。
冷焰对发动机的爆震也有重要的作用，发动机的爆震受到低温化学反应（LTC）以及火焰的湍流传输的影响[8]。作为化石燃料的良好替代品，醇、酯和大分子碳氢化合物等能够有效的减少CO2的排放，其均表现出不同的低温化学性质，因此分析了解各种燃料的低温化学反应的动力学性能是替代燃料高效应用的重要过程。
从19世纪初冷焰被首次发现到现在，低温燃烧火焰的研究取得了很大的进展。早期的冷焰研究的对象大多为预混冷火焰，主要围绕的火焰热动力学不稳性引起的火焰振荡以及低温碳氢化合物的化学性质[9]展开研究。随着研究的深入，低温化学动力学[10]逐渐成为学者关注的重点。链热理论的研究和发展，为火焰动力学的模型与预测研究奠定了一定的基础，一系列全面详细的反应动力学模型[11,12,13]被建立并较为准确的预测了火焰的形态与发展。与此同时，冷焰的研究仍面临着许多的挑战：一方面在较低的温度和大气压下建立边界明确且稳定自持的冷焰较为困难；另一方面当初始温度较高或在冷焰建立过程中火焰受到一定的外界扰动，低温冷焰会很快向高温热焰转变；压力对冷焰的产生或存在有显著的影响，火焰在高压下不稳定性增加。因此，需要详细了解冷焰的火焰结构和温度分布等特性，通过分析得到火焰的燃烧极限等参数，为冷焰的进一步研究和应用提供理论基础。
本课题以臭氧活化的正庚烷冷焰为研究对象，对其火焰特征开实验研究和分析。以对冲火焰燃烧器平台为基础，通过在氧化剂气流中添加臭氧建立稳定自持的对冲扩散冷焰，采用微量取样的方法，使用气象色谱仪（GC）对火焰周围可测范围内的燃烧主要产物和稳定中间产物的分布进行辨识和定量分析，并通过微调试样中气流、热力等参数，探究不同燃烧条件对燃烧产物化学组分分布的影响。深化对火焰的反应机理的理解，为丰富正庚烷冷焰燃烧实验和理论提供支持，对冷焰的进一步研究有一定的参考价值。
国内外研究现状
19世纪20年代中期，Davy在一次偶然的燃烧实验中发现了冷焰的存在[14]。与热火焰的高温剧烈反应不同，冷焰的温度较低，火焰呈微弱苍白的淡蓝色，在日光照射的条件下不易观察，一般需要黑暗的环境才能用肉眼观察到，也称冷焰为低温燃烧火焰。冷焰广泛的存在于燃料热火焰点燃之前的着火延迟时间区域内，是一种预反应[15,16]。该阶段，燃料在一定温度和压力条件下发生分解与转化，释放热量以维持低温化学反应，因此火焰温度不高，燃料升温在10~150 K，燃料混合物的初始状态参数，包括温度、压力以及混合物的燃料氧气比等[17]都在一定程度上影响冷焰的产生和发展。
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