微燃烧器内不同碳氢燃料及掺混燃料燃烧特性的研究

发布时间：2017-08-06 20:13

  本文关键词：微燃烧器内不同碳氢燃料及掺混燃料燃烧特性的研究

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【摘要】：随着微加工技术的不断进步,微型机电系统的开发得到了持续的突破。目前大多数微型设备仍由传统化学电池进行驱动,但其较低的能量密度和不能长时间供电的缺陷,也逐渐成为该类系统进一步发展的瓶颈。近年来,得益于功率密度高、供电时间长以及体积小等优点,一些基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统倍受研究人员的青睐。这些装置在MEMS动力问题的解决上被寄予了厚望,且其潜在应用场合也已向便携式电子器件、无线通讯设备、无人飞行器等领域迅速拓展。作为微型动力系统最重要的部件,微型燃烧器设计的好坏对燃烧过程的稳定性和系统的功率输出有着很大的影响。微尺度燃烧不仅存在驻留时间短、热损失较大等问题,燃料选择面窄、适应性差的缺陷也比较突出。为此,本文采用平板式微型燃烧器,对三种常见气体燃料进行了对比分析,针对碳氢燃料稳燃流速范围窄的问题,提出了一款新型燃烧器的设计思路,并对微尺度条件下掺混燃烧方式的实施效果进行了探讨。所取得的研究结论如下:(1)得益于氢气的易燃性,其火焰较为靠前,且位置比较固定。而甲烷和丙烷工况的火焰位置将随着进气流量的增长向出口方向移动,从而造成稳燃流速范围过窄的问题。甲烷/空气和丙烷/空气的可燃通道高度分别为2.5mm和2mm,而氢气/空气可以在1mm的通道内实现燃烧。在相同化学能输入下,甲烷和丙烷工况下燃烧器外壁面的平均温度明显高于氢气工况,且壁面温度分布均匀性更好。(2)针对甲烷和丙烷稳燃流速范围窄的问题,设计了内置十字隔板的平板式微型燃烧器。该种设计方法不仅可以起到固定火焰位置增大稳燃流速范围的作用,燃烧器外壁面的平均温度还能较直通道燃烧器提高90K以上。实验和数值模拟的研究结果表明,当十字隔板长度为10mm时,燃烧器的工作效果最佳。(3)在甲烷、丙烷中添加少量氢气后,OH等重要自由基的生成过程将得到促进,从而可起到改善火焰稳定性的作用,且掺氢比越大,混合燃料的稳燃流速范围提升幅度越明显,在掺氢比20%的情况下,甲烷、丙烷的稳燃流速上限均可达到1.4m/s左右。氢气的掺入还实现了碳氢燃料在更小通道内的燃烧,但实际的工作效果跟掺氢量有关。此外,在较高流速下,掺氢措施的采用也一定程度上带来了燃料化学能利用程度的提高。
【关键词】：微尺度燃烧 燃料适应性 十字隔板 掺氢效果 壁面温度分布
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 微尺度燃烧的研究背景10-12
• 1.2 微尺度燃烧面临的主要问题12-14
• 1.2.1 驻留时间的影响12
• 1.2.2 大面容比造成的热损失12-13
• 1.2.3 火焰淬熄问题13-14
• 1.3 改善微尺度燃烧的措施14-17
• 1.3.1 过量焓燃烧14-15
• 1.3.2 多孔介质燃烧15-16
• 1.3.3 催化燃烧16
• 1.3.4 内部结构的优化设计16
• 1.3.5 掺混燃料燃烧16-17
• 1.4 本文的研究内容17-19
• 第二章 实验装置及数值模拟方法19-27
• 2.1 实验方法19-20
• 2.1.1 实验装置介绍19-20
• 2.1.2 燃烧器的设计20
• 2.2 数值模拟方法20-26
• 2.2.1 几何模型与网格划分20-21
• 2.2.2 计算工具21-22
• 2.2.3 计算模型22-24
• 2.2.4 模型验证24-26
• 2.3 小结26-27
• 第三章 常见气体的微尺度燃烧特性27-41
• 3.1 火焰形态与位置的比较27-30
• 3.2 稳燃流速范围的比较30-31
• 3.3 燃料化学能的利用程度31-35
• 3.4 通道高度的影响35-39
• 3.5 小结39-41
• 第四章 十字隔板式微型燃烧器的设计及效果41-48
• 4.1 新型燃烧器的设计41-42
• 4.2 十字隔板对碳氢燃料工作性能的影响42-45
• 4.3 隔板长度的优化45-47
• 4.4 小结47-48
• 第五章 掺氢对甲烷与丙烷燃烧特性的影响48-59
• 5.1 掺氢对混合燃料火焰稳定性的影响48-53
• 5.2 掺氢对可燃通道高度的影响53-54
• 5.3 掺氢对壁面辐射能输出的影响54-57
• 5.4 小结57-59
• 第六章 全文总结及展望59-61
• 6.1 全文总结59-60
• 6.2 工作展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 硕士期间发表的论文66
• 硕士期间申请及授权的专利66-67
• 硕士期间获得的主要奖励67

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本文编号：631273