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加温加压条件下液体燃料光学常数实验测量

马云千  
【摘要】:目前新型燃料如甲醇汽油、乙醇汽油及各种生物类柴油蓬勃发展,对燃料燃烧过程的数值模拟过程也在进一步完善。而液体燃料的光学常数数据是燃烧模拟过程中非常重要的基础参数。光学常数的取值是整个燃烧模拟过程的关键,对燃料的点火、燃烧和成分分析都具有关键性的影响。而目前各类燃料的光学常数数据非常匮乏,尤其是加温加压条件下的数据,因此本文的目的就是设计一整套的实验测量系统来得到液体燃料在加温加压条件下的光学常数。本文在椭偏实验台的基础上设计了加温加压条件下的液体光学常数测量系统,包括能够实现反射测量的液体样品池。该系统能够实现待测液体温度从常温至300℃、压力从常压至1.0 MPa范围内任意调节。经实验测试,控温精度能够达到0.5℃,压力控制系统的稳定性和密封性良好,每小时的自然压降仅为0.07 MPa,且压力随时可调。根据液体池各部件的加温加压变形模拟结果进行部件尺寸和形状设计,保证每个部件的最大变形量均不超过0.02 mm,且样品池在不同热源条件下内部温度分布均匀。在此基础上对系统进行了验证并使用反射法与透射-反射结合法测量了几种液体在不同温度与压力条件下的光学常数。在反射测量方面,建立了反射测量数学模型,使用反射法测量了甲醇、乙醇、棕榈油和棕榈油型生物柴油的光学常数。结果表明,甲醇的折射率值在20℃和60℃时的最大差别能达到4%,吸收指数值最大差别能达到40%。乙醇的折射率在20℃和60℃时的最大差别能达到5%,吸收指数值最大差别能达到37.5%,相对于温度的影响,压力对乙醇的光学常数值影响较小,乙醇在0.1 MPa和0.5 MPa条件下的折射率值的差别最大不超过0.3%,吸收指数值的差别最大不超过0.01%。棕榈油的折射率在20℃和150℃时的最大差别能达到4%,吸收指数之最大差别能达到50%。生物柴油的折射率值在20℃和150℃时的最大差别为6.3%,吸收指数值的最大差别为48%。整体来看,随着温度的升高,折射率值与吸收指数值均降低。在透射-反射结合测量方面,建立了透射-反射结合法测量的数学模型,并对菜籽油和玉米油的光学常数进行了测量。通过分析系统反射率相对误差和系统相对透射率,选择反射测量的入射角度为40度,并在不同的光谱范围选择不同的液体层厚度进行透射测量。在1~8μm波段范围内使用113μm、260μm、373μm、1 mm、2 mm和5 mm六种不同的厚度进行测量。测量结果表明,两种食用油的折射率曲线走势基本相同,但是菜籽油在波长为2.7μm、3.3μm、3.5μm、4.3μm的折射率峰值处要比玉米油稍大一些,在3.4μm、4.1μm、4.6μm的折射率谷底处要比玉米油稍小一些。对于吸收指数,菜籽油和玉米油的吸收峰和波谷处的波长略有差异,如玉米油在2.7μm、3.1μm处有两个比较明显的波谷,而菜籽油则没有。两种食用油光学常数曲线有差异的原因是不同食用油具有不同的饱和脂肪酸以及脂肪酸的饱和度,这些数据可以用来分析食用油的成分以及检测食用油的质量。


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