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碳氢燃料是能源消费的主要来源之一,碳黑是碳氢燃料在富燃条件下产生的颗粒物。碳黑颗粒会影响燃烧设备中火焰传播和热效率。同时,碳黑对人类健康和环境有着重要的影响。碳氢火焰中碳黑的生成是一系列复杂的物理化学过程,包括前驱物形成、碳黑初生、表面长大和氧化等过程。一般认为,碳黑生成极限是碳氢火焰中碳黑初生的临界状态。相对于物理空间和混合分数空间,在碳氧比(C/O)空间下进行分析可以消除对系统几何结构的依赖性,同时不依赖于初始的燃料和氧化剂浓度。因此,在C/O空间下深入研究碳黑的初生和碳黑生成极限对理解碳黑的形成和控制其影响具有重要的意义。本文首先基于详细的气相化学反应机理和碳黑模型,针对富氧C2H4/O2/N2和C2H4/O2/CO2一维对冲扩散火焰,在不同的化学计量混合分数下(Zst)模拟研究了碳黑的生成。在C/O空间下分析了两种气氛下火焰的结构和碳黑的初生以及CO2代替空气中的N2对碳黑初生的影响。结果表明在O2/N2和O2/CO2气氛下,随着Zst的增加,C/O空间下乙烯对冲火焰的火焰面的位置不变,两种气氛下火焰面的C/O分别为0.5、0.53。在C/O空间下,两种气氛下随着Zst的增加火焰中C6H6出现的位置不变,C/O值都为0.47左右。CO2的引入对碳黑初生具有抑制作用。其次,模拟研究了不同Zst下层流伴流乙烯/空气火焰的碳黑生成极限,并与前人的实验结果进行了对比。结果表明随着Zst的增加,火焰温度的最大值逐渐增加,火焰中C2H2的摩尔分数逐渐减少,而OH和O逐渐增多。碳黑生成极限温度最大值与Zst表现为线性关系。在C/O空间下,对于乙烯伴流扩散火焰,模拟的碳黑初生C/O和温度的临界值分别为0.67、1300K。在C/O空间下,H自由基消失的位置接近碳黑生成极限临界C/O的位置。最后,在二维伴流扩散火焰中,模拟研究了不同氧气浓度下碳黑的生成极限。结果表明随着氧化剂侧氧气浓度的提高,火焰的温度峰值逐渐升高,火焰的高温区由火焰的两侧移向火焰的顶端,火焰中C2H2、OH和O的质量分数峰值逐渐变大,碳黑体积分数的峰值先增大后减小。在碳氧比空间下,氧气浓度从21%到70%的工况下,乙烯扩散火焰中碳黑生成极限的临界碳氧比和温度值分别为0.6和1700K。