铁燃烧中临界纳米颗粒形成：单颗粒实验与多参数诊断结合多尺度模拟
流体动力学
2025-09-03 v1
摘要
铁氧化物纳米颗粒 (NP) 的形成在实际铁燃烧系统中存在效率损失和细粉尘排放等挑战，突显了深入理解形成机制和热力学条件的必要性。该研究结合实验和多尺度模拟，对由单颗粒铁在高温氧化环境中燃烧生成的 NP 云进行分析。环境气体由湍流平面火焰烤架提供，后火焰氧气摩尔分数在 20、30 和 40 vol% 之间变化，温度恒定在约1800K。采用高速原位诊断测量粒子尺寸、NP 初始化、NP 云演化以及微粒表面温度历程。实验装置采用三个 10kHz 成像系统：一个用于双色烃度测量，两个用于扩散背光照明 (DBI)，针对粒子尺寸和 NP 测量。研究结果展示了多物理诊断在量化 NP 初始化时间和温度方面的强大能力，这些参数取决于粒子尺寸和环境氧浓度。CFD 模拟揭示了在高氧条件下由增加的斯蒂芬流动驱动的对流速度增强，将 NP 输送 toward 父铁粒子，从而延迟了 NP 云检测的发生，导致 NP 初始化时微粒温度更高。分子动力学 (MD) 模拟发现 FeO2(g) 作为 NP 的关键前体，当 Fe 原子从液相中解离时形成。初始温度显著影响最终纳米簇的组成，在较高温度下以 Fe(II) 为主，在较低温度下以 Fe(III) 为主。该集成方法增强了对铁燃烧中 NP 形成机制的理解，为影响纳米颗粒特性的条件提供了洞见。
引用
@article{arxiv.2412.08736,
title = {Critical nanoparticle formation in iron combustion: single particle experiments with in-situ multi-parameter diagnostics aided by multi-scale simulations},
author = {Tao Li and Bich-Diep Nguyen and Yawei Gao and Daoguan Ning and Benjamin Böhm and Arne Scholtissek and Adri C. T. van Duin and Christian Hasse and Andreas Dreizler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.08736},
year = {2025}
}