碳烟是柴油机尾气排放颗粒物的主要成分,也是造成大气污染的主要污染物之一。碳烟是通过碳烟粒子成核、碰撞凝结、表面生长、表面氧化以及沉积等十分复杂过程后形成的。由于碳烟的尺寸很小,一般为纳米级,故可以长时间在空气中悬浮而不易沉降。当大气中中的碳烟污染物达到一定浓度时,会对人体造成危害。颗粒捕集器是一种能在微粒进入大气层之前捕获颗粒物的柴油发动机尾气过滤器。经研究发现,碳烟的外部形态、体积、密度、传热传质以及电磁等物理特性都会对颗粒捕集器的工作效率产生影响。因此,研究碳烟粒子运动过程以及最终形成的碳烟颗粒物形貌是十分必要的。分形理论是当今非线性科学中十分风靡和活跃的新理论、新学科,并且已广泛应用于薄膜材料的制备、石油开采以及物体的传热散热等多个领域。它的研究对象主要是非线性系统中产生的不规则、不可微的几何体。通过观察碳烟在电镜下所显示的复杂结构可以发现,碳烟的整体形态常常呈现分形结构。本文结合柴油机尾气中碳烟的复杂形成过程,引入扩散限制凝聚模型,研究了二维空间中碳烟粒子扩散凝聚的动力学过程。首次利用模糊隶属度函数来表示粒子运动步长与粒子运动角度之间的非线性关系,通过改变模糊隶属度函数的参数研究了单一粒径碳烟粒子和不同粒径碳烟粒子运动方式的变化,进而实现了碳烟凝聚体的形态控制。主要涉及内容如下:(1)碳烟粒子扩散限制凝聚模型的建立本文将距离矩阵、并行算法以及解决粒子碰撞问题的新几何关系引入经典扩散限制凝聚模型,利用Monte Carlo方法建立了更高效、更贴近实际的碳烟粒子无网格扩散限制凝聚模型,通过大量的仿真实验数据,分析了碳烟粒子凝聚体的分形形貌、分形维数以及在不同参数下的程序运行时间的差异。(2)基于模糊隶属度函数的碳烟粒子扩散限制凝聚本文将模糊控制的思想首次引入碳烟粒子扩散限制凝聚模型,利用隶属度函数建立了粒子运动步长与粒子运动角度之间的非线性关系,并通过改变隶属度函数的参数,使得凝聚体形态结构由松散变为紧凑,更利于碳烟的沉降,实现了对碳烟粒子凝聚体形态的控制。相关结论对提升碳烟的净化技术提供了借鉴意义。(3)符合Rosin-Rammler粒径分布的不同粒径碳烟粒子扩散限制凝聚柴油机排放碳烟粒子的粒径是在一定范围内变化的,本文引入现实中被广泛应用的Rosin-Rammler分布来描述碳烟粒子的粒径分布,通过改变Rosin-Rammler分布函数中的非线性参数m,调整了不同粒径的分布概率和范围。在单一粒径的碳烟粒子扩散限制凝聚模型基础上,提出了不同粒径碳烟粒子模糊隶属函数扩散凝聚模型,通过改变不同粒径碳烟粒子的隶属度函数参数σ来控制其运动方式,进而实现了对不同粒径碳烟粒子凝聚体形态的控制。相关结论对于研究真实不同粒径碳烟粒子的运动与凝聚机理,进而促进柴油机尾气碳烟粒子捕捉技术的进展,具有重要的理论意义和现实意义。