优化金属笼结构增强乙炔扩散火焰碳烟抑制：机理研究与性能探索

本研究发现将金属笼插入乙炔扩散火焰可高效抑制碳烟（soot）生成，通过几何调控热分布与混合增强（fuel–air mixing）实现低温区抑制形成与高温区促进氧化的双重机制，为被动式减排技术提供了新思路。

　　

亮点

实验与温度模拟结果表明，将金属笼插入火焰会将其分割为两部分：金属笼下方区域温度显著降低，抑制碳烟形成；而上部温度升高，促进碳烟氧化。纹影成像与流场模拟显示，空气通过金属笼孔隙进入火焰，增强燃料-空气混合（fuel–air mixing），进一步抑制碳烟生成。碳烟抑制效率与火焰表面和金属笼的接触面积密切相关——当金属笼伸入火焰时，碳烟会在其上积聚，虽可抑制但仍需时间；若接触面积过小，则抑制不彻底，而增大接触面积可提升效率。金属笼几何形状对碳烟抑制具有显著影响，值得注意的是，当标准化笼高（CHAB除以无笼时的火焰长度）达到0.3时，直径7毫米、14目圆柱形金属笼接触火焰表面可实现高效热传递并快速抑制碳烟。

实验装置

本研究聚焦于乙炔扩散火焰，实验装置包括乙炔气瓶、真空泵、质量流量控制器、双色高温计、燃烧器、z轴运动平台、金属笼及相机（见图1）。通过z轴运动平台（HTZ120）调节燃烧器高度，以实现燃烧器喷嘴出口与金属笼顶端的垂直高度变化。燃烧器采用不锈钢（SUS316）制造。

火焰形态

图3(a)展示了有无金属笼时的火焰外观。CHAB表示金属笼顶端至燃烧器喷嘴的垂直距离。无金属笼时，火焰呈亮黄色，且不断有碳烟逸出；插入金属笼后，金属笼受热呈红色，火焰被分割为两部分：上部火焰仍为亮黄色但无碳烟释放，下部火焰环绕金属笼……

结论

本研究通过实验探讨了影响碳烟抑制效率的多种因素，包括金属笼高度（CHAB）、网目数、材料、直径、乙炔流量、燃烧器喷嘴内径及笼结构，证实金属笼通过几何调控热与混合过程改变碳烟颗粒形成区，从而抑制碳烟生成。同时考察了垂直插入金属网对……