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脉冲电晕放电过程中OH自由基的光学测量

作　者: 魏波
导　师: 骆仲泱；余春江
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 脉冲电晕放电 OH自由基 发射光谱 平面激光诱导荧光 ICCD成像
分类号: O461
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文主要介绍了使用发射光谱系统和平面激光诱导荧光(PLIF, Planar Laser Induced Fluorescence)-ICCD成像联用系统对脉冲电晕放电过程中OH自由基的测量研究,目的在于通过对脉冲放电过程中OH自由基的测量,研究OH自由基的产生、与其它物质进行化学反应、物理反应并消失的机理,明确其在脉冲放电多种污染物协同脱除过程中起到的关键作用,并验证各种因素对OH自由基的生成过程产生的影响,了解OH自由基的生成量随各种因素的变化规律,为脉冲放电协同脱除多种污染物技术的研究提供借鉴和支持。本文主要研究内容为：1.首先使用Fluent工具模拟了反应器中气体流动的速度分布情况,根据模拟的结果优化了反应器的设计。在考虑了激光诱导荧光测量系统的光路要求之后,最终选择了从反应器进风混合段侧面中间处进气,尾部侧面中间处出气的流场设置。此外,反应器气体混合区域和放电区域之间需要布置布风板以实现气体更好的均布和稳定流动。气体入口流速增大时,反应器内气体速度变化加剧,但是反应器中心放电区域内气体流速变化幅度不大。2.通过发射光谱测量手段,对空气、氮气、氩气背景下脉冲放电过程中的OH自由基进行了测量,研究了脉冲峰值电压、脉冲放电频率、背景气体湿度对OH自由基的生成产生的影响,并研究了OH自由基在放电电场中的空间分布特性。实验证明,OH自由基的生成量随脉冲峰值电压和脉冲放电频率的增高而增大；不同背景气体下,湿度对OH自由基的生成所产生的影响也不相同,OH自由基的相对浓度在空气中随气体相对湿度的增大而增大,在氮气中随气体相对湿度增大呈先增大后减少趋势,而在氩气中随气体相对湿度的增大而先减少后增大;OH自由基在放电电场中的相对浓度,随着光谱仪透镜中心与线电极的间距增大而逐渐减少。最后尝试测量了在空气背景通入下SO2和NO时OH自由基的浓度情况,发现在这样的背景条件下,OH自由基已经基本很难存在。3.完善了激光诱导荧光测量与ICCD成像联用系统的设计与搭建,通过激光诱导荧光测量手段,研究了空气、氮气、氩气背景下脉冲峰值电压、气体湿度变化时OH自由基的二维分布情况,研究了O2含量变化时OH自由基浓度的变化规律,并在SO2和NO存在的情况下对OH自由基进行了测量。实验获得了不同气体背景下OH自由基的二维分布,验证了脉冲峰值电压和气体湿度对OH自由基生成过程的影响,且证明O2含量越多,OH自由基生成量越少。实验发现SO2在测量过程使得ICCD接收到的光强剧烈增加,影响了测量结果,而NO存在时OH自由基含量很低,且NO含量越多,OH自由基数量越少。目前OH自由基的测量研究主要是在惰性气体做背景的条件下,对携带H2O的载气的流量进行控制,但是很少有在精确的湿度监测和控制下进行的测量研究,并且很少有研究是在精确的空间尺度上对放电反应空间内的OH自由基的分布进行测量,于是本文着重进行了这两方面的测量研究,并尝试了在SO2和NO存在的情况下对OH自由基进行测量,这些都对脉冲放电协同脱除多种污染物技术的研究起到了参考作用。另外大多数对自由基的测量都是使用发射光谱系统,而本文的主要创新点就是使用了激光诱导荧光测量与ICCD成像联用的系统,通过系统的设计和搭建,掌握了PLIF系统与ICCD成像联用的技术,为以后的测量工作奠定了基础。

全文目录


致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
目次  12-15
1 绪论  15-26
  1.1 我国能源利用与环境污染现状  16-20
  1.2 SO_2的危害与控制技术  20-22
  1.3 NO_x的危害与控制技术  22-24
  1.4 烟气中颗粒物的危害与控制  24-25
  1.5 小结  25-26
2 脉冲放电与OH自由基相关机理和研究现状  26-34
  2.1 脉冲放电多种污染物协同脱除技术及其研究现状  26-27
  2.2 脉冲电晕放电机理  27-28
  2.3 OH自由基的产生与反应过程  28-31
    2.3.1 低温等离子体  28-29
    2.3.2 OH自由基的生成机理  29-30
    2.3.3 自由基与SO_2的反应  30-31
    2.3.4 自由基与NO的反应  31
  2.4 OH自由基及其光学测量方法研究现状  31-33
  2.5 小结  33-34
3 实验装置与实验方法  34-43
  3.1 实验装置介绍  34-42
    3.1.1 脉冲放电电源  34-38
    3.1.2 放电反应器结构  38-39
    3.1.3 混气部分与加湿装置  39
    3.1.4 测量系统  39-42
  3.2 实验方法与实验过程  42-43
4 脉冲放电反应器的FLUENT模拟与设计  43-59
  4.1 气体直进直出时反应器内的气体流动状态  43-45
  4.2 气体由尾部侧面流出时反应器内的气体流动状态  45-47
  4.3 考虑重力影响时反应器内的流动气体状态  47-52
  4.4 增大气体流量时反应器内的气体流动状态  52-56
  4.5 小结  56-59
5 脉冲放电过程中OH自由基的发射光谱测量  59-86
  5.1 OH自由基发射光谱法的测量原理与测量方法  59-62
  5.2 脉冲放电电压变化时OH自由基的发射光谱测量  62-67
  5.3 脉冲放电频率变化时OH自由基的发射光谱测量  67-69
  5.4 气体湿度变化时OH自由基发射光谱测量  69-73
  5.5 不同背景气体下OH自由基的分布特性  73-75
  5.6 通入SO_2时放电区域的发射光谱测量  75-80
  5.7 通入NO时放电区域的发射光谱测量  80-83
  5.8 小结  83-86
6 脉冲放电过程中OH自由基的PLIF测量  86-125
  6.1 使用激光诱导荧光方法测量OH自由基的原理  86-88
  6.2 PLIF测量系统的光路设置与同步调节  88-93
  6.3 脉冲放电电压变化时OH自由基的PLIF测量  93-105
  6.4 背景气体湿度变化时OH自由基的PLIF测量  105-110
  6.5 氧气浓度变化时OH自由基的PLIF测量  110-115
  6.6 SO_2浓度变化时OH自由基的PLIF测量  115-119
  6.7 NO浓度变化时OH自由基的PLIF测量  119-122
  6.8 小结  122-125
7 结论与展望  125-130
  7.1 全文总结  125-127
  7.2 研究展望  127-130
参考文献  130-136
作者简历  136

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 真空电子学（电子物理学） > 气体放电（气体导电）
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