祝贺课题组何松的论文：Experimental and numerical study of  TiO₂ nanoparticle evolution in a diffusion flame reactor被Combustion and Flame收录，赵海波教授为通讯作者，何松博士为第一作者。

火焰合成纳米颗粒技术具有突出的技术优势。火焰中的高温区域提供了纳米颗粒理想的生长条件，使得气相产物能够迅速地成核、凝并形成纳米颗粒。在火焰尾部，高温气体的快速淬冷抑制了颗粒的进一步生长，使其保持在纳米级尺寸。与目前主流的湿法化学相比，火焰合成纳米颗粒技术避免了复杂的工艺流程与较长的制备时间，能够在一步连续的生产过程中制备出干燥且热力学稳定的晶体纳米颗粒，而不需要间歇性，长周期的制备过程。然而，火焰合成纳米颗粒又是一个复杂的过程，对尺寸、形态、尺寸分布等颗粒属性在火焰中形成与生长的完整链式演变过程的解析一直是研究的重点，因为这些直接影响最终产物的特征性能。深入了解纳米颗粒在火焰中的复杂演变过程，了解形成机制的相互作用是十分有必要的，这有助于更有针对性地调整合成参数，制备出适合特定应用的纳米颗粒。这种关键参数的了解来自于精确的实验测量以及完善可行的数值模拟。

本文通过实验与数值模拟相结合的方式研究了中试尺度湍流扩散火焰中TiO₂纳米颗粒空间演变的形成与生长过程。其中，实验方面，建立了湍流扩散火焰合成TiO₂纳米颗粒实验平台，建立相关测试表征手段。利用热泳取样装置和自主开发的半自动TEM分析软件用于后处理分析。实验获得了火焰中纳米颗粒形态、尺寸以及一次粒子尺寸分布（PPSD）和团聚体尺寸分布（ASD）的详细空间演变信息，为开发或验证各类数值模型与方法提供实验数据。在靠近燃烧器表面的早期阶段，通过多种机制形成的单分散球形纳米颗粒（1~3 nm）是颗粒生长的主要特征，这些单个颗粒最终演变为成熟的颗粒产物。在颗粒的时空演变过程中，纳米颗粒的分形特征保持相对稳定。由于明显的非均质场特征以及湍流波动引起的颗粒输运混合，与理想的均质系统或小规模火焰相比，中试体积火焰中合成的纳米颗粒表现出明显更宽的尺寸谱图分布。

数值模拟方面，利用本课题组自主开发的大涡模拟-双变量分区模型（LES-BiSe），对湍流火焰合成纳米颗粒过程进行数值模拟。所采用的模型能够同时预测湍流火焰中纳米颗粒尺寸、形态、多分散尺寸分布的时空演变。实验与模拟的多参数量化比较证实了数值模型的可靠性。此外，通过数值模拟，本文对成核、表面生长、凝并、烧结动力学事件在火焰中的时空竞争关系进行辨识，从而分析多事件影响下的颗粒演变机制。

图1 湍流火焰合成TiO₂纳米颗粒模拟及实拍图

图2展示了成核速率、表面生长速率、特征烧结时间和特征凝并时间在火焰中的瞬时空间分布。在图2(a)和(b)中，成核速率和表面生长速率均在进入高温火焰后达到峰值。在下游区域，成核速率总是大于表面生长速率。此外，比较图2(c)和(d)，可以发现，在靠近燃烧器壁管的火焰根部，由于较高的火焰温度以及较小的一次粒子直径，特征烧结时间要比特征凝并时间小几个数量级，这意味着该区域的纳米颗粒可以瞬间完全烧结。继续向下游生长演变，特征烧结时间逐渐增加，但在T=1600 K等温线所勾勒的火焰内部，依旧远远小于特征凝并时间。因此，在当前火焰工况下，纳米颗粒更加倾向于形成紧致的球体或者仅仅包含少量一次粒子的硬团聚体。在进一步远离高温火焰的尾部或者边缘区域，特征凝并时间远大于温度相关的特征烧结时间，甚至超过多个数量级，这将导致由多个一次粒子组成的不规则软团聚体结构的形成。

图2 各颗粒动力学事件的瞬时空间分布，(a) 成核速率，(b) 表面生长速率，(c)特征烧结时间，(d) 特征凝并时间。为了更直观地比较，(a~b)和(c~d)分别使用相同的颜色尺度。在远离火焰区域，由于温度很低，特征时间趋近于无穷大。

本工作受到国家自然科学基金项目(51920105009和52025063)资助。

文章完整信息：

Song He, Cheng Shang, Hao Lu, Zuwei Xu, Haibo Zhao*. Experimental and numerical study of TiO₂ nanoparticle evolution in a diffusion flame reactor. Combustion and Flame. 2025, 273: 113965.

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218025000033