主要研究内容：

项目通过实验和模拟相结合的方法，考察托举火焰中炭黑的生成情况，揭示火焰结构对炭黑生成的影响。

在实验研究部分，利用激光诱导炽光法，以甲烷/氧气反扩散火焰为基础，调节氧气速度，考察火焰形态变化过程，分析比较火焰在附着和托举状态下的炭黑生成情况，揭示炭黑生成与火焰结构之间的关系。

在模拟研究部分，使用ANSYS Fluent软件进行流体仿真，模拟燃料的流动和混合过程。通过仿真数据分析混合效率、燃烧效率和温度分布，考察不同火焰结构下的传热传质机理，进一步分析火焰中各自由基浓度分布以及相应的炭黑生成情况，揭示托举火焰下炭黑的生成机理。

将实验与模拟结果相互验证，以实现托举火焰下的无烟燃烧技术。

研究重点：

剖析托举火焰的结构特征、传热传质机理。

研究难点：

1. 控制相同条件下火焰的形态，如火焰附着和托举。

2. 火焰中各反应物组分浓度的精确测量。

国，内外研究现状：

1. 火焰中的炭黑生成

炭黑的生成是一个复杂的多步过程，涉及分子反应、成核和颗粒生长等多个阶段。如何减少燃烧过程中的炭黑生成是一项在工业领域有着广泛关注的重要课题。诸多学者通过燃料掺混燃烧的方式来减少炭黑的生成。例如Boyette对比了乙烯/氮气火焰和乙烯/氨气火焰中的炭黑生成情况，实验表明适量氨的加入对湍流火焰中炭黑生成的抑制作用。类似的，向乙炔/空气预混火焰中加入一氧化碳可在一定温度下显著减少炭黑的生成。火焰温度对于炭黑的颗粒与核数也有显著影响。何林教授团队通过观测1820K至1940K温度下丙烯预混火焰的炭黑生成情况，发现炭黑的粒径与成核速度均在一定范围内与反应温度成正相关。炭黑生成同样受到压力和重力的影响。以层流逆扩散火焰为例，经二氧化碳稀释的甲烷气在氧气与氮气的混合气中燃烧时，可以发现，在零重力条件下，炭黑体积分数随其所受压力增加呈线性增长。常重力作用下，较高的火焰温度和自由基浓度促进了炭黑生成，而浮力效应加速了流体运动，减少了停留时间，从而抑制了炭黑生成。

然而，目前针对炭黑生成的研究多集中在对燃料化学成分和燃烧条件的分析控制，而较少关注如何通过火焰结构优化来减少炭黑生成。通过实现托举火焰，可以调整火焰中的组分浓度分布和温度分布，有望有效降低炭黑生成。

2. 托举火焰的特性研究

托举火焰的稳定性由湍流和化学反应之间的复杂相互作用决定，研究发现湍流拉伸、气速和火焰稀释等因素共同影响火焰的托举高度和稳定性。当火焰根部的气速过低时，托举火焰会转变成附着火焰。而气速过高时，火焰又会被拉离喷嘴端部。湍流拉伸可能导致火焰熄灭，但回流气体或热引导流可以提高局部区域的温度，补偿因湍流冷却或稀释效应导致的温度下降，从而保持火焰的稳定性。? 。早期的Kalghatgi模型研究了不添加稀释气的纯燃料情况下火焰的托举高度随射流出口速度的变化，指出火焰托举的基部速度与层流火焰传播速度近似一致，提出了湍流火焰托举高度的理论模型与计算公式。但后来的实验成果证明不同的稀释气体会显著改变火焰的托举高度和吹熄极限。

火焰燃烧过程中，湍流和化学反应的相互作用极其复杂，特别是托举火焰根部的湍流拉伸和化学反应速率之间的平衡难以精确模拟。实验研究方面同样面临许多挑战，尤其是在测量高稀释条件下的火焰稳定性和反应区特性时，对托举高度等关键参数的精确测量仍然是技术难点。托举火焰的实验研究需要对燃料流速、氧气浓度、温度和压力等参数进行精确控制，然而在实际工业应用中，这些参数难以保持完全一致，从而给托举火焰在实际系统中的预测和应用带来困难。本项目力求进一步剖析托举火焰的结构特征，从模拟和实验两个方面揭示托举火焰的机理，开发新型无烟燃烧技术。

研究思路和方法：

1.   在不同气流速度条件下，利用激光诱导炽光法测定不同火焰结构下炭黑生成情况。

2.   利用Ansys Fluent软件进行模拟计算，进一步分析火焰温度、各组分浓度对炭黑生成的影响。

预期成果：

1.  基于托举火焰炭黑生成情况得出火焰结构对炭黑生成的影响，分析并结合实验数据，结合实验结论完成一篇学术论文。

2.  参加全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛。

3.  参加中国国际大学生创新大赛。

2024.12-2025.01：阅读国内外文献资料，查阅相关知识，跟随导师学习，对炭黑生成过程、非催化部分氧化法等相关知识进行初步了解，设计实验方案。

2025.02-2025.03：学习用托举火焰降低炭黑产量操作流程，针对之前的研究方案开展预实验并调整方案。

2025.04-2025.09：开展实验，在不同气流速度条件下，利用激光诱导炽光法测定不同火焰结构下炭黑生成情况。

2025.10-2026.12：利用软件进行模拟计算，进一步分析火焰温度、各组分浓度对炭黑生成的影响。

2026.01-2026.02：归纳整理实验，分析数据，讨论结论，明确托举火焰中炭黑生成情况以及不同火焰结构对炭黑的影响。撰写研究论文。

2026.03-2026.05：完成结题表和总结报告，参加结题答辩和成果推广。