热力设备与系统的诊断、优化与综合评价研究进展：基于热辐射的燃烧检测及燃烧化学反应动力学机理研究

（1）研究背景

热辐射是高温燃烧化学反应热量释放的主要形式，也是燃烧过程中重要的传热方式，同时也是燃烧检测中检测信号的重要载体。但是由于燃烧组分及产物的复杂性，以及辐射特性对温度和波长的依赖性，因此，有必要不断深化热辐射从宏观到微观的认识，解决高温工业过程及燃烧检测中出现的复杂辐射传热问题，进而发展新型燃烧检测技术。MILD燃烧等稀薄燃烧方式是一种新型高效低污染燃烧方式，高压富氧燃烧也是富氧燃烧的一个新发展方向，而稀薄燃烧和高压富氧燃烧有着独自特点，其详细反应动力学机理需要深入研究。另一方面，为应对日益严重的环境污染和能源紧缺问题，新型替代燃料成为研究热点。新型替代燃料，如生物柴油、乙醇柴油、乳化柴油等多组分燃油中，由于各个组分的物性各不相同，导致多组分燃油的喷雾、雾化和燃烧规律都与单组分燃油完全不相同。针对这些问题，有必要开展稀薄燃烧和高压富氧燃烧等新型燃烧方式，及乙醇柴油、掺水乳化柴油等替代燃料的详细反应动力学研究，并提供重要的实验数据，为新型燃烧方式的发展及替代燃料燃烧的研究奠定基础。

（2）主要研究内容

① 热辐射机理研究方面

为了进一步深化热辐射从宏观到微观的认识，在微纳米尺度下，研究者逐渐发现：当亚波长微纳结构的特征尺寸小于辐射特征波长时，材料可以与电磁波相互耦合产生一些新奇的物理机制，比如：磁激元共振、表面等离子体激元、表面声子激元、光子禁带效应、微腔共振和法布里-珀罗谐振等。利用这些异常机制，人们可以实现具有良好的波长选择性和方向选择性的热源，也可以在通过亚波长的空隙结构上实现光的异常增透；同时还发现：当非热平衡系统中的物体间距小于物体温度所对应的热特征波长时，物体间的辐射换热，即近场辐射换热，会远大于黑体辐射换热极限。利用近场辐射换热，可以将热量通过光子隧穿的方式传到光伏电池从而转化成电，实现近场热光伏系统，也可以利用近场辐射实现材料表面形貌的表征等。基于此，我们在热辐射机理研究方面开展以工作：a）结合不同掺杂浓度的氧化铟锡（ITO）纳米线在红外波段实现完美吸收；b）利用Tamm等离子体结构对石墨烯在近红外波段实现超窄带的吸收；c）利用光栅结构激发的表面等离子体激元增强二硫化钼的激子的吸收。d）对多层平板和磁电各向异性双曲线材料组成的三体的近场辐射进行了研究。相关研究成果发表于传热权威期刊Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer，Journal of Heat Transfer及 Journal of Applied Physics等上。

图1 通过多层结构实现窄带吸收

② 基于自发辐射测量的碳烟生成燃烧检测研究方面

围绕基于自发射辐射分析的燃烧测量诊断技术，开展工作包括：利用自发射辐射诊断技术的特点——在测得燃烧火焰中碳烟浓度分布的同时还能得到温度分布，将其用于扩散火焰中碳烟生成的研究发现：改变氧化剂富氧程度及燃料气体稀释程度(Zst)，可以定量的控制碳烟生成以及火焰温度，从而实现热辐射的调控。工业应用方面，基于光谱分析及火焰图像处理的的自发射辐射测量诊断技术应用于燃烧火焰碱金属测量、工业窑炉及纵火件燃烧监测。相关研究成果发表于燃烧领域顶级期刊Proceedings of the Combustion Institute上，申请软件著作权1项，获得授权发明专利两项，并且相关成果获得中国兵器工业集团科技进步二等奖。

图2 不同化学当量比的氧-乙烯火焰

③ 稀薄及富氧新型燃烧方式中化学反应动力学机理研究

目前常见的详细化学反应机理如GRI Mech、USC Mech 2.0、Aramco Mech 2.0、FFCM-1等主要是针对于常规空气燃烧和Ar气氛下的燃烧，在稀薄燃烧和高压富氧燃烧的预报结果都存在较大的误差。针对稀薄燃烧和高压富氧燃烧独自特点，主要开展两方面研究：一方面是富氧燃烧实验数据的测量，以丰富现有的富氧燃烧数据库，另一方面基元反应速率常数的计算，为富氧燃烧机理的拓展与丰富提供速率常数的支撑。相关研究成果发表于Energy、Fuel、Energy & Fuels等本领域专业权威期刊上。

图3 新型燃烧方式的燃烧装置图

④ 稀薄及富氧新型燃烧方式中化学反应动力学机理研究

替代燃料多组分燃油喷雾燃烧研究方面：生物柴油、乙醇柴油、乳化柴油等多组分新型替代燃料的喷雾、雾化和燃烧规律都与单组分燃油完全不相同。沸点的不同，会导致低沸点组分先蒸发，气化会在液滴中产生蒸汽泡，随着加热的持续进行，蒸汽泡内蒸汽压逐步增大，一旦蒸汽压大于液滴表面张力和环境压力之和，蒸气泡会冲破液滴表面，造成液滴的爆裂，使液滴破碎形成细小液滴，进而能促进燃料与空气的混合，提高了燃烧效率并减少了缸内碳烟的生成。另外，汽化潜热、比热容、化学活性等的不同，都会导致燃油的喷雾和燃烧特性大相径庭。针对上述问题，主要开展了乙醇柴油、掺水乳化柴油等多组分燃油组分沸点对燃油的喷雾、雾化特性以及燃烧、排放特性的影响规律。相关研究成果发表于Applied Energy、Fuel、Energy & Fuels等本领域专业权威期刊上。

图4 定容弹燃烧系统结构图

以上研究工作在专业顶级期刊Proceedings of the combustion institute及专业权威期刊Fuel、Energy & Fuels等发表13篇SCI论文。批准发明专利10项、软件著作权1项，专利申请5项。获中国轻工业联合会科技进步一等奖及中国兵器工业集团科技进步二等奖各一项。

（3）主要创新点和贡献

热辐射机理研究方面：a）利用堆叠的多层不掺杂浓的ITO纳米线，通过调节不同的配置条件，在1.7-8μm宽波段范围内实现了近乎完美的吸收。b）利用Tamm等离子体激发和光栅的临界耦合波导，可以将单层石墨烯的局域吸收由2.3%提高到75%，而且其半波全宽只有2.5nm，这可以提高光的选择性。c）单层二硫化钼的光子局域化与表面等离子体激元耦合增强吸收的现象利用，调控表面等离子体激元共振波长与激子吸收位置邻近，可以B激子吸收处的局域吸收率达到0.4，相比于悬浮单层二硫化钼的B激子跃迁吸收也增大了近7倍。d）磁电各向异性双曲线材料可以显著提高三体系统中近场辐射传输，同时探讨了厚度、间距等因素对穿透系数以及光谱热流的影响。

新型燃烧方式燃烧机理方面：在对冲着火实验台架下测量了CH₄在稀薄常规空气和富氧燃烧下的着火温度，同时在高压激波管中测量了CH₄和C₂H₆在高压富氧燃烧下的着火延迟时间。并且通过量化的计算手段，优化了一些基元反应，针对稀薄燃烧提出了IDIM机理（111种组分，788步反应），针对高压富氧燃烧提出了OXYMECH机理（495种组分，2825步反应）。需要指出的是，上述两个新机理都覆盖了随对应的空气气氛。通过机理分析，发现了稀薄燃烧着火过程中的两条新路径，以及高压富氧燃烧中的着火新机制。

替代燃料燃烧特性方面：通过不同组分的燃油的喷雾燃烧对比研究发现：在高温环境的作用下，低沸点组分的气化都对喷雾液柱及液滴的破碎有促进作用，能够促进燃油的雾化和燃烧。同时，不同物性，对燃油的雾化和燃烧的促进作用产生的阶段并不相同。通过多组分燃油的单液滴蒸发燃油对比研究发现：在高温环境下，多组分燃油会发生微爆，微爆的产生，可以缩短燃油蒸发时间。从动力学机理上找到了研究多组分燃油的喷雾、燃烧、排放特性的具体方向。

（4）重要论著及专利