微通道内纯甲烷及掺混二甲醚燃烧特性的研究

发布时间：2020-07-23 08:28

【摘要】：微加工技术的快速发展,使得基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统取得了持续性的突破。该系统具有高的能量密度、工作时间长和体积小等优点,故在便携式电子领域具有很大的潜力。微型燃烧器作为微型动力系统的核心部件,其工作性能的好坏直接决定了系统的动力输出。与常规尺度燃烧相比,当燃烧器尺寸缩小后,大的面积/容积比会使得壁面散热损失增加。同时,混合气在微通道内的驻留时间也得到了缩短。这些问题严重地制约着微型动力系统的发展。因此,深入地了解火焰的基本燃烧特性对于火焰稳定性的改善也将显得至关重要。本文结合实验和数值模拟的方法全面地探究了火焰在微尺度条件下的燃烧特性,并提出了一种简单可行的掺混燃烧方案,研究结果可为微尺度燃烧的后续发展提供了一些参考依据。论文主要研究工作和创新点如下:(1)搭建了微尺度燃烧可视化实验平台,整体加工了全透明平板式石英燃烧器,通过进气流速的改变发现了甲烷/空气在微通道内的七种火焰传播模式,包括:反复熄燃、弱火焰、平直火焰、U型火焰、胞格火焰、倾斜火焰以及振荡火焰。(2)构建了基于详细化学反应机理下预混甲烷/空气在平板式微型燃烧器内燃烧过程的三维计算模型,并结合实验的测试结果对模型的正确性进行了验证。初步地探讨了火焰的基本燃烧特性,并通过改变进气流速和当量比,得出了这些参数对火焰特性的影响,进一步揭示了火焰形态与吹熄极限之间的规律。(3)考察了燃烧器结构尺寸和材质对火焰特性及燃烧过程的影响,总结了燃烧过程、火焰形态随相关影响因素的变化规律,优化了改善火焰吹熄极限的燃烧器几何参数,重点对比了导热系数对某些火焰形态的影响,归纳了火焰稳定性随导热系数的变化规律。(4)鉴于纯甲烷可燃流速范围过窄和火焰容易变得不稳定的缺陷,设计了一种新颖的掺混燃烧方案,实验地研究了掺混对燃烧过程的影响。为了揭示掺混在改善火焰稳定性方面的作用机制,进一步分析了不同掺混比对各类火焰存在范围、火焰转变点、不稳定火焰变化频率以及稳定火焰形态和位置的影响。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16
【图文】：

微型燃气轮机,麻省理工学院

图 1.1 麻省理工学院研制的微型燃气轮机o-gas turbine engines developed by Massachusetts Institutea等人[9]宣称研制出了一个世界上最小的燃气轮机四部分组成，包括一个直径 16 mm 的压缩机，一

微型燃气轮机

日本Tanaka等人[9]宣称研制出了一个世界上最小的燃气轮机，如图1.2所示。该发动机主要由四部分组成，包括一个直径 16 mm 的压缩机，一个直径 17.4 mm的涡轮，一个环形燃烧室和一个虚拟电磁发电机。转子由外压气体轴承支承，而不是流体动力气体轴承，故可以用于实际发动机中。布雷顿循环的转速为 360000rpm，占额定转速的 62%。该发动机有望应用于未来的移动机器人、个人车辆等领域。图 1.2 日本东北大学研制的微型燃气轮机Fig 1.2 Micro-gas turbine engines developed by Tohoku University1.2.2 微型三角转子发动机旋转汪克尔发动机最早是由工程师 Felix Wankel[10]于 1957 年发明的。其工作原理是利用一个椭圆形腔内三角形转子的旋转运动将热能转化为机械能，而不需要传统的往复活塞。这种紧凑的发动机设计使得单位重量化学能燃烧输出的功

三角转子发动机,伯克利分校,加州大学

微通道内纯甲烷/掺混二甲醚燃烧特性的研究机成为可能。目前，该发动机已成功应用于马自燃烧室和转子在高转速下的磨损之间的密封问题克利分校 Fernandez-Pello 和他的同事[11, 12]最早燃料燃烧的微型三角转子发动机，如图 1.3 所示为 0.064 mm3的燃烧器内，通过采用直径为 1 m000 rpm 时提供 13.9 W 的动力输出。转子发动机的控制和供给，利用发动机转子的旋转顶点扫气和尾气排出，这有助于简化微型装置的设计。由的问题，发动机最终只产生了 2.7 W 的功率输出

【参考文献】