《Combustion and Flame》：Effect of equivalence ratio on soot precursor chemistry and nanostructure evolution in ethylene premixed burner-stabilized stagnation sooting flames: An experimental and kinetic modeling study
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•研究了Φ对碳烟前驱物及碳烟纳米结构的影响。•在广泛的Φ范围内研究了碳烟的气-固相关性。•建立了前驱物浓度与石墨化参数之间的强正相关关系。•对比了模拟结果，并分析了差异产生的原因。引言实现清洁高效的燃料燃烧是能源与环境领域关注的重大问题，其中抑制碳烟的生成与排放是核心焦点[[
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研究了Φ对碳烟前驱物及碳烟纳米结构的影响。
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在广泛的Φ范围内研究了碳烟的气-固相关性。
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建立了前驱物浓度与石墨化参数之间的强正相关关系。
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对比了模拟结果，并分析了差异产生的原因。
引言
实现清洁高效的燃料燃烧是能源与环境领域关注的重大问题，其中抑制碳烟的生成与排放是核心焦点[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。预混燃烧作为一种基本且重要的燃烧模式，其火焰特征与污染物生成在很大程度上取决于Φ。深入研究Φ影响预混火焰燃烧行为的机理，对于优化燃烧过程、减少污染物排放具有根本性意义。
Φ定义为实际燃料-空气比与化学计量燃料-空气比的比值。在预混火焰中，随着Φ从贫燃向富燃方向增大，火焰温度、传播速度和辐射性质发生系统性变化[[7], [8], [9], [10]]。碳烟的生成行为对Φ同样高度敏感。当Φ超过某一临界值时，碳烟开始生成，其产率、粒径和结构形貌随Φ增大而发生显著变化[[11], [12], [13], [14]]。Salenbauch等人[15]利用耦合模型有效预测了碳烟颗粒的生成及其分布相关特征。结构表征表明，从高Φ火焰中采集的碳烟颗粒比从低Φ火焰中采集的颗粒表现出更高的结构无序度[16]。随着Φ增大，构成一次颗粒的芳香族畴区略有扩大，后续石墨化过程也各不相同[17]，这在HRTEM图像中观测到的类石墨烯结构中也得到了证实[18,19]。此外，在高Φ条件下，碳烟颗粒的数密度、平均迁移直径和中位迁移直径均显著增大，这主要归因于富燃料火焰中更为显著的团聚效应[20]。电学性能测试也表明，随着Φ增大，碳烟纳米颗粒的电导率上升，这与趋向石墨化的趋势一致[21]。
在Φ从贫燃向富燃转变的过程中，存在一个碳烟开始生成的临界转变点。这为捕捉从小分子气相物质到多环芳烃（PAHs）再到首个固相碳核的初始步骤提供了独特的窗口。这是理解碳烟生成从零到一阶段的关键步骤。Betrancourt等人[22]对该转变过程的研究发现，乙炔、丙炔、苯、萘和芘等关键前驱物对Φ的变化最为敏感。与此同时，当跨越转变点时，碳烟体积分数急剧增加了约两个数量级，表明碳烟生成随Φ变化呈现非线性特征。光学诊断研究也观测到了这一增长趋势[23]。燃料组成的变化[[24], [25], [26], [27]]、稀释剂气体氛围的调整[28,29]或外加场的应用[30]等因素均能显著影响这一转变行为。Tang等人[31]研究了燃料类型对层流预混烧杯稳焰驻焰碳烟生成倾向性的影响，发现碳烟生成倾向性总体上随燃料的碳氢原子比（C/H）增大而增加。此外，在层流预混乙烯-氧气-氩火焰中加入微量二茂铁可显著降低临界转变点，这归因于氧化铁纳米颗粒诱导的颗粒成核增强效应，从而促进了碳烟生成[32]。
基于上述研究进展，当量比对预混火焰中的碳烟生成过程具有显著影响。然而，现有大多数研究将气相前驱物与固相碳烟纳米结构分别独立讨论，尚缺乏关于气相前驱物化学特性如何具体关联到碳烟纳米结构演化的耦合研究，尤其是在从无碳烟到富碳烟状态转变阶段的研究更为匮乏。为弥补这一空白，本研究整合了原位组分测量、两种广泛认可的碳烟动力学机理以及多技术纳米结构表征，从而在乙烯预混烧杯稳焰驻焰中不同当量比范围内建立了碳烟前驱物化学与纳米结构演化之间的定量关联。通过整合实验测量与模拟分析，本工作旨在阐明从无碳烟到富碳烟条件转变过程中碳烟前驱物与碳烟颗粒之间的内在关系。研究结果有望为构建统一的碳烟生成模型和开发清洁燃烧技术提供理论基础与数据支持。
章节摘要
实验与数值方法
图1为实验系统的示意图。实验平台与先前研究[33]中使用的设备相同，其主要组成部分简述如下。层流预混火焰由McKenna燃烧器产生，配备直径25 mm的致密多孔介质喷嘴以确保出口流量稳定。驻板由石英制成，配有水冷系统（Thermo Scientific Accel 500LC）以维持表面
火焰形态与轴向温度分布
图2(a)展示了不同Φ下预混烧杯稳焰驻焰的温度分布。在所有条件下，火焰温度在燃烧器附近迅速上升至峰值（约1700–1800 K），随后在驻板附近被强制冷却至约400 K。实验测量与基于两种机理的数值模拟在趋势上表现出良好的一致性，这验证了所采用的动力学模型对火焰温度的预测能力
结论
本工作在乙烯层流预混烧杯稳焰驻焰中，结合实验诊断与基于两种化学动力学机理（KM2和CRECK）的数值模拟，研究了广泛Φ范围内碳烟气相前驱物与固相纳米结构之间的内在相关性。同时也考察了Φ对碳烟前驱物生成及碳烟纳米结构演化的影响。主要发现如下：
CRediT作者贡献声明
任航：撰写—初稿、调查研究、形式化分析、数据整理、概念化设计。 应瑶瑶：撰写—审阅与编辑、监督、资源获取、资金获取、形式化分析、概念化设计。 于润田：数据整理。 杨开轩：数据整理。 吴碧坤：调查研究。 刘东：撰写—审阅与编辑、监督、资源获取、资金获取、形式化分析、概念化设计。
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