微尺度条件下纯丙烷和掺氢丙烷火焰形态及转变特性的实验研究

发布时间：2020-07-21 18:08

【摘要】：相比于传统电池,微型动力装置具备能量供给时间长、体积小与单位能量密度高等优点,使得这些设备在解决MEMS的动力问题上被给予厚望,让其逐渐成为研究的热点。作为微动力装置的核心部件微型燃烧器,燃料能否在其中稳定燃烧是决定整个装置燃烧效率及功率输出的关键。由于尺寸减小引起的面容比增大,使得火焰在微型燃烧器中面临驻留时间短、散热损失大造成火焰淬熄及不稳现象发生等问题。因此很多措施被用于改善这些问题,包括掺混燃料燃烧及燃烧器内部结构优化等。为此,本文设计出透明型平板式直通道燃烧器,选取纯丙烷及掺氢丙烷作为研究对象,利用高速数码相机结合红外热像仪分析了火焰形态及其转变规律。取得以下研究结论:(1)针对丙烷/空气预混气体燃烧过程,选用内部尺寸为40 mm×10 mm×3 mm的透明型平板式燃烧器作为研究对象,通过流速和当量比的改变,总共发现了反复熄燃火焰、W型火焰、平直火焰、U型火焰、倾斜火焰以及X型火焰等6种形态,并详细分析了各种火焰的形态特征和转变规律。(2)绘制出了当量比0.5~1.2,流速10~89 cm/s工况范围内的火焰形态分布情况,并以此定义了绝对稳定区域、相对稳定区域与绝对不稳定区域。由于火焰迟滞现象,不同形态火焰流速范围将有部分重叠。随着当量比的递增,火焰形态变化频率依次增大,距离出口最大高度则逐步减小。通过对三种长度燃烧器火焰形态的对比研究,发现两种稳定型火焰以及FREI火焰的流速范围均出现了30mm时最大,50 mm时次之,40 mm长度燃烧器最小的特征,但在高流速工况(如倾斜火焰)下则呈现出了完全不同的现象。借助无量纲火焰位置的概念,对部分不稳定火焰所呈现的规律进行定量的分析和解释。(3)在纯丙烷研究基础上,探讨了掺氢丙烷燃烧过程的基本特性和实施效果。研究结果表明,掺氢燃烧方式很好地克服了丙烷在微尺度条件下火焰不稳定的缺点,能极大提高稳燃流速范围,并抑制迟滞现象可能带来的绝对稳定区域减小。同时,掺氢通过固定火焰位置与稳定高温区域来减缓火焰形态的转变,从而抑制不稳定火焰的生成。研究还发现,掺氢比对U型火焰形态有很大影响,掺氢比越大,U型火焰位置与厚度越小。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：

动力装置

（a）微型燃气轮机（b）微型热光伏系统（c）微型热电系统（d）微型推进器图1.1 微型动力装置Fig.1.1 Different kinds of power MEMS近20年来，一种基于碳氢燃料微尺度燃烧的微型动力装置由于具备功率密度高、供电时间长与体积小等优点，让国内外学者产生了浓厚的兴趣。最早由Epstein等人[1]提出了“Power MEMS”的概念后，多种形式的微型动力装置被设计出来。按照工作原理可以把它们分为两种[2-4]：第一种是微型热机系统，借助相关设备直接将燃料的化学能转变为机械能。其中包括微型燃气轮机、微型自由活塞发动机、微型三角转子发动机和微型推进器等。另一种是微型反应器系统，其原理为

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【参考文献】