煤燃烧亚微米颗粒数浓度特性实验研究和理论分析

煤粉燃烧过程中亚微米颗粒数浓度的准确采样和测量是一个颇具挑战性的问题,本文基于清华大学高温-维炉实验系统产生的亚微米颗粒物,发展了适用于气溶胶扫描电迁移率颗粒粒径谱仪(SMPS)的两级氮气稀释水冷等速取样技术.为得到炉膛内亚微米颗粒的真实数浓度粒径分布,本文探索了不同稀释比对测量结果的影响,最后发展了基于成核、团聚和表...     

香烟燃烧产生的亚微米颗粒物动态粒径谱特征

应用SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)对ETS (Environmental Tobacco Smoke)亚微米颗粒物的粒径谱演变进行了测量分析.结果发现,ETS颗粒物在10~500nm范围内呈对数正态单峰分布,数量粒径谱和质量粒径谱的演化有类似的递减趋势,但其浓度衰减率有明显的不同.分析得知,由于在演化过程中颗粒物直径是动态变化的,并不能用简单的方法获得凝并和沉积损失率.     

大气气溶胶粒径分布的多波长激光雷达反演

提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下,90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明,所提算法基于多波长的气溶胶光学特性,可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。     

基于气溶胶光学厚度反演大气气溶胶尺度分布

介绍一种基于气溶胶光学厚度测量反演大气气溶胶尺度分布的新方法. 从实测气溶胶光学厚度出发，依据严格的Mie散射理论，将气溶胶尺度分布函数离散，采用线性回归法确定气溶胶尺度分布. 还通过对多重共线性的讨论，确定了用于反演气溶胶尺度分布的光谱波段.     

超声衰减和速度谱测量亚微米乳液的粒径

研究了超声衰减谱法和相速度测量高浓度多分散脂肪两相乳浊液的粒径分布问题.在理论分析基础上,实验测量了多个浓度(2%～20%)脂肪乳试样在2～13 MHz频带下超声衰减和相速度谱,结合反演算法由实验数据计算出乳浊液颗粒的粒径分布,并讨论了相速度法的意义和特点.将原始浓度(20%)下测得粒径分布与消光法在稀释条件下相同试样测量结果作对比,二者比较吻合,表明超声谱法可在无稀释的高浓度条件下作乳浊液粒径分布的表征.     

亚微米直径光纤的非线性特性研究

用电磁场的严格解分析了亚微米直径光纤的非线性系数,发现光纤直径在700 nm左右（亚微米量级）非线性系数较大,喇曼阈值较小,喇曼增益谱线较多;受激喇曼散射特性的分析表明,由于直径小,光纤在较小的泵浦光功率作用下能量密度就很大,因此很容易观察到受激喇曼散射.实验结果表明,理论分析与实验结果吻合得很好.     

遗传算法反演气溶胶粒径分布计算模拟研究

采用计算模拟的方式研究了遗传算法和线性回归法反演气溶胶粒径分布的准确性。发现遗传算法能在一定程度上降低Mie矩阵向量间多重共线性给反演带来的误差, 其模拟结果优于普通线性回归法。     

亚微米燃烧源颗粒物间的相互作用研究

采用微观可视化的高速摄像技术直接观察了燃烧源亚微米颗粒物间的相互作用形态,发现了亚微米颗粒间存在“吸引-旋绕-排斥”形态的相互作用。通过颗粒受力分析,认为传统所考虑的曳力、重力、库仑力、范德华力不能解释这种相互作用．根据亚微米颗粒荷电的不均匀性特征提出颗粒静电力应包括净电荷库仑力和感应偶极子间作用力两部分．感应偶极子间作用力是近程力,具有径向和周向两个方向,在颗粒比较接近的时候迅速增大,并能导致颗粒之间相互旋绕和排斥。该力与上述几种力综合起来可以很好地解释实验发现的这种颗粒相互作用形态。     

亚微米纤芯光纤芯径大小与光学特性的关系

使用Maxell方程的严格解,研究了亚微米直径光纤的单模条件、传播常数、基模分布、传播效率、非线性系数等光学特性,发现亚微米纤芯直径光纤的单模条件与标准光纤相同,非线性系数在直径为700nm左右时最大;当光纤的直径小于1μm时,传播效率骤减.这些结果有助于新型微光通信和光纤传感器件的设计.     

煤粉燃烧过程磷在亚微米颗粒中的转化

亚微米颗粒(PM1)中的磷由于对环境和SCR催化剂活性的影响而受到越来越多的关注.本文在一台25 kW的一维下行炉实验装置上,利用两级N2稀释高温水冷等速取样系统,通过PM2.5切割器和ELPI获取代表着煤粉燃烧主要阶段生成的粗颗粒(PM2.5+)和PM1,并进行元素成分和颗粒形貌的测试.研究结果表明,在燃烧过程中,磷主要富集在PM1中,磷在PM1中的质量浓度粒径分布存在双模态结构,Na、K、Mg、Ca和Fe的磷酸盐化影响着P在燃烧中的转移,Fe、K和Ca是影响P在中间模态颗粒中分布主要因素,而超细颗粒模态中燃烧条件控制着蒸发凝并的过程,从而最终影响到P在超细颗粒模态中的质量浓度分布的剧烈变化,同时也影响磷酸盐化的元素种类及相关度.     

煤粉燃烧火焰区域内形成的亚微米颗粒电镜研究

煤粉燃烧火焰区域是燃烧过程中温度最高的区域,同时也是温度梯度、组分浓度梯度最高的地方,以及还原和氧化气氛交错存在等复杂环境,这种环境对亚微米颗粒初始形成阶段有着重要的影响,对该区域形成的PM1进行研究有助于深入理解PM1的形成机理.本文基于25 kW一维下行炉内对自维持燃烧的煤粉火焰区域,通过两级稀释水冷等速取样系统和ELPI(荷电低压撞击分离器)系统对颗粒物进行分级收集,以及电镜分析技术,获得PM1的质量和数浓度粒径分布,以及各粒径主要成分分布,并进行单颗粒分析.结果表明火焰区域中形成的亚微米颗粒以含碳物质为主,碳烟、碱金属和硫对超细颗粒有富集的趋势.该区域的亚微米颗粒同时存在多种复杂的形成机理.     

亚微米颗粒湍流团聚特性的实验研究

燃煤电厂亚微米颗粒物排放是造成大气环境污染和影响人体健康的重要因素。本文搭建亚微米颗粒湍流团聚实验平台,通过场发射扫描电镜(FESEM)对亚微米颗粒的团聚形貌进行微观表征以及扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对亚微米颗粒团聚前后的粒径分布特性进行宏观测量。结果表明:亚微米颗粒湍流团聚形成多分叉颗粒树聚团结构,进口流速为0.8?5.3m/s条件下,PM1和PM0.1的脱除效率分别为5.6%?18.6%和7.0%?21.4%,且PM1和PM0.1的脱除效率曲线随速度变化呈现二次函数规律。     

跨微米尺度混合颗粒粒径的同步测量方法

基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm～76.9μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。     

激光自混合干涉法亚微米及纳米颗粒测量中的反问题

基于Kaczmarz投影算法对反问题进行了详细的研究.选取颗粒线分布函数作为反演对象,改进了Kaczrnarz投影算法,使投影过程发生在较大夹角的超平面之间.数值模拟了含5%和10%的测量误差时宽单峰、窄单峰、双峰和三峰四种粒径分布的反演,结果显示改进投影算法得出的粒径分布与输入的粒径分布更好得吻合.实验测量了标称为60 mn和180 nm两种单分散颗粒,结果表明改进投影算法得出的粒径分别为54.95 nm和190.55 nm,而原先投影算法得出的粒径为83.18 nm和288.40nm,进一步显示改进投影算法提高了测量结果的准确性.     

基于宽范围粒径谱仪的气溶胶探测方法

通过改变基于宽范围粒径谱仪的温度控制方法,研究温度变化对气溶胶浓度的影响和作用.本文首先对宽范围粒径谱仪进样系统温度控制方法进行改进,即采用钽管加热器及不加热切换的温度控制方法来改变宽范围粒径谱仪进样部分温度,使用改进后的系统测量室内外大气气溶胶,对不同温度下大气气溶胶的浓度分布情况进行讨论与分析.结果表明室外粒子数浓度分布的峰值与室内粒子浓度分布的峰值相比,室内空气中粒子数浓度峰值明显要小,即室外大气中的粒径大的粒子更多.证实了宽范围粒径谱仪适用于大气气溶胶的检测,在环境检测中有广泛的应用前景.     

南京北郊气溶胶质量浓度空间垂直分布反演

使用拉曼 米激光雷达在南京北郊进行常规性检测,通过分析激光雷达回波信号,借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度,对米散射信号进行近场修正,消除重叠因子的影响,拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度,拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度,然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果:2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6,具有一定的可信度。     

基于微分法精确测量气溶胶飞行时间的新方法

利用飞行时间气溶胶粒子束光谱技术对大气气溶胶牲子粒谱分布进行监测是精确测量大气气溶胶粒子粒径大小及浓度的典型方法.而精确测量气溶胶粒子飞行时间是实现粒径谱精确监测的关键.利用微分法对门限电平比较法进行优化改进,利用信号微分后的零点对应信号最大值的特点,将飞行时间提取中变化的门限电平的比较转换成零电平的比较,设计了一种精确测量气溶胶粒子飞行时间的方法.该方法不但可以忽略因气溶胶粒子大小而引起的散射光强弱变化,而且,即使散射光双峰信号并非理想的对称信号,该方法也能精确地测得飞行时间.     

基于船载平台太阳光度计的渤海湾气溶胶光学特性

研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法,首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪,之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度,并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测,渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1～0.3范围内,大气较为洁净,且夏季大气以细粒子为主,而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比,发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近,决定系数可达到0.968,其平均相对测量误差为4.83%,?ngstr?m指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性,并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。     

海洋大气气溶胶光学模型参数的相关性研究

气溶胶光学模型参数在气溶胶遥感和气候强迫研究中都具有重要的作用.通过对全球近90个气溶胶自动观测网(AERONET)的海洋站点数据进行筛选、分类和分析,发现了气溶胶模型的中值半径及其标准偏差间的负相关性,并给出了经验关系.利用该关系对现行中分辩率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型进行了评估,并指出了该模型存在的不足...     

韦伯分布布谷鸟搜索算法颗粒粒径分布反演

韦伯分布在非线性寻优问题中具有较好的寻优精度和全局搜索能力,为此提出一种基于韦伯分布的布谷鸟搜索（WCS）算法来解决颗粒粒径分布反演的问题。使用WCS算法对服从Johnson’s S_B分布、Rosin-Rammler分布和正态分布的单峰颗粒系和双峰颗粒系进行颗粒粒径分布的反演,并分别与其他传统算法的处理结果进行比较。结果表明,WCS算法的整体效果优于人工鱼群算法和人工蜂群算法,且改进后的4种重尾分布CS算法的标准差比原CS算法提升2～3个数量级。目标函数散射光能加入噪声后,WCS算法比其他三种重尾分布的相对均方根误差值至少可降低1/2。使用小角前向散射测量系统对单峰颗粒系和双峰混合颗粒系进行实验研究,发现WCS算法的相对均方根误差比原CS算法降低约为40%。