微尺度燃烧器性能优化及热-声震荡分析

发布时间：2020-10-17 04:56

　　 微尺度能源装置在国防、医院、军事、民生等方向越来越重要。微尺度光电装置作为微尺度能源装置的一种,具有高寿命、高能量密度、安静等特点,从而吸引了众多科研人员的目光。微尺度燃烧器作为微尺度光电系统的关键部件,其热量利用率的能力决定了微尺度光电装置的效率。微尺度燃烧器壁面受热释放光子,微尺度燃烧器壁面温度高低决定了微尺度燃烧器的发光性能,壁面温度的均匀的决定了有效光子的发射。因此如何提高燃烧器的壁面温度成为本文研究的重点。热-声震荡是燃烧过程中比较常见的现象,噪声的出现会增加燃烧中的扰动性,进一步可能会造成燃烧过程中出现熄火现象。因此噪声对于燃烧的过程中的热反应率、流体压强、流体流速都会造成影响。不稳定的热反应率又会加剧噪声的出现。据作者所知,还没有文献设及到微尺度燃烧器中的热-声之间互相震荡关系研究。在前人的文献中提及,微尺度燃烧器中添加肋可以有效的提高微尺度燃烧器的壁面温度,从而提高微尺度光电系统的发电效率。即使如此这种燃烧器的热损失依然比较大,且出口流体依然具有较高温度,这种燃烧器在文中命名为model(a)。文中设计两种微尺度燃烧器,第一种燃烧器在出口处添加一根肋,用以强化传热效果,这种燃烧器命名为model(b),第二种燃烧器在modle(b)燃烧器的基础上在再添加一根肋,这种燃烧器命名为model(c)。文中使用氢气-氧气作为混合燃料进行数值计算,计算结果表明在出口添加肋的方法,虽然能提升出口处附近壁面温度,但是整个壁面温度并没有得到有效的提升。model(c)可以有效的提高整体壁面温度且壁面温度更加均衡。从温度云度上看,model(c)的热损失最小。在速度云图上看,model(c)的流动损失最大。文中以model(a)为基础探究进口震荡对于微尺度燃烧的影响。文中使用火焰传递函数法确定在1000 Hz频率附近为model(a)的共振频率。文中分别以300 Hz和1000 Hz为进口扰动频率探究其微尺度燃烧的影响。数值结果表明,在1000 Hz扰动频率下,微尺度燃烧具有更高的噪声情况,且流体流动更加紊乱。但时在1000 Hz扰动频率下,微尺度燃烧器具有更高的燃烧稳定性和更高的燃烧效率。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK16
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景和意义
        1.1.1 微尺度燃烧的研究意义
        1.1.2 微尺度燃烧面临的问题
            1.1.2.1 驻留时间的影响
            1.1.2.2 大体面比的影响
            1.1.2.3 火焰熄火问题
    1.2 微尺度燃烧国内外研究现状
        1.2.1 基于燃烧的能源装置
        1.2.2 微型动力装置
        1.2.3 微型喷射推动器
        1.2.4 基于Swiss-roll微尺寸燃烧器的热电装置
        1.2.5 温差发电装置
        1.2.6 微尺度光电装置
    1.3 微尺度燃烧器国内外研究现状
        1.3.1 Swiss-roll燃烧器
        1.3.2 其他形式微尺度燃烧器
    1.4 燃烧不稳定性国内外研究现状
    1.5 本课题的主要研究内容
第2章 基本理论及软件介绍
    2.1 基本软件
        2.1.1 Chemkin软件介绍
        2.1.2 Fluent软件介绍
    2.2 燃烧控制方程
        2.2.1 稳态燃烧控制方程
        2.2.2 非稳态燃烧控制方程
    2.3 本章小结
第3章 微尺度燃烧器尺寸及模型验证
    3.1 数值模型
        3.1.1 数值模型(非稳态燃烧模型)
        3.1.2 数值模型(稳态燃烧模型)
        3.1.3 数值模型边界条件
            3.1.3.1 非稳态燃烧边界条件
            3.1.3.2 稳态燃烧边界条件
        3.1.4 模型网格
    3.2 结果
        3.2.1 模型验证、网格验证
        3.2.2 时间步长验证
第4章 微尺度燃烧器热-声震荡分析
    4.1 火焰传递函数(非稳态燃烧)
    4.2 速度、压强、放热量傅里叶变化图
    4.3 压力、速度、放热量波动趋势
    4.4 轴向压强、速度变化趋势
    4.5 轴向温度变化趋势
    4.6 径向H2和H2O浓度变化趋势
    4.7 在1000 Hz和300 Hz激励频率下反应的变化趋势
    4.8 本章小结
第5章 三种不同结构微尺度燃烧器燃烧性能分析
    5.1 进口流量为1.8551×10-5kg/s时,三种不同结构燃烧器比较
    5.2 进口流量为2.1593×10-5kg/s时,三种不同结构燃烧器比较
    5.3 进口流量为2.7875×10-5kg/s时,三种不同结构燃烧器比较
    5.4 进口流量为2.0554×10-5kg/s时,三种不同结构燃烧器比较
    5.5 进口流量为2.3057×10-5kg/s时,三种不同结构燃烧器比较
    5.6 本章小结
第6章 总结和展望
    6.1 总结
    6.2 展望
文献参考
攻读硕士学位期间发表的论文与专利
致谢

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本文编号：2844305