小尺度射流扩散火焰特性的实验研究和数值模拟

发布时间：2017-08-19 08:32

  本文关键词：小尺度射流扩散火焰特性的实验研究和数值模拟

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【摘要】：由于基于燃料燃烧的微动力机电系统具有高能量密度的特点,此类系统的需求不断增加,近十年来成为国内外研究的热点。研制体积小、重量轻、能量密度高且能够持续供能的微能源系统具有重要的意义。作为微能源系统的核心,微型燃烧器与大尺度燃烧器相比,存在表面积/体积比较大、热损失增加、停留时间短等特点,微火焰燃烧稳定性等特性的影响因素就成为了国内外研究人员关注的重点对象。液体燃料的燃烧过程相较气体燃料更复杂,但具有更高的能量密度,更适用于微型燃烧器。本文以液体乙醇为燃料,通过实验研究和数值模拟相结合的方法分析了燃烧器喷管管径、燃料流量、电辅助加热以及外加直流电场等因素对乙醇小尺度扩散火焰形态、温度、稳定性等特性的影响,探讨了液体燃料在微小尺度下的燃烧机理。在数值模拟过程中,采用Fluent 6.3模拟计算软件建立了二维对称数值燃烧模型。数值模拟结果与实验结果吻合良好,验证了本文数值模拟结果的准确性。结果表明,液体乙醇流量从零开始增加,整个变化过程会经历五个阶段,同时小火焰温度逐渐升高。当燃烧器喷管管径减小时,火焰逐渐变小。在稳定燃烧阶段,随着乙醇燃料流量的增加,燃料整体高温蒸发量增大,小火焰温度升高、火焰高度增大;随着燃烧器喷管管径减小,无量纲热损失增大,小火焰温度降低、火焰高度减小。使用电辅助加热的方法可减少小火焰的散热损失,提高小火焰温度,化学反应速率增大,火焰中心向上游移动。而在直流电场作用下,小火焰尺寸变小,温度升高,速度场、组分分布、化学反应等均有变化。适当调整燃料流量和燃烧器喷管管径,或者采用合适功率的电辅助加热,抑或外加适当的电场强度,均有利于增强小火焰的稳定性。通过外加电场改变小火焰特性消耗的电功率很小,具有应用前景。论文探讨了不同影响因素对乙醇小尺度扩散火焰特性的作用规律,并借助模拟软件分析了小火焰燃烧的内部变化,为新型微燃烧器结构和实验系统的优化设计提供了技术参考。
【关键词】：液体乙醇 微尺度燃烧 扩散火焰 火焰稳定性 电场
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 物理量名称和符号表11-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 本研究的背景意义14-15
• 1.2 国内外微尺度燃烧研究现状15-18
• 1.3 课题的提出和本文的主要内容18-20
• 第二章 研究相关的理论基础20-29
• 2.1 层流射流扩散火焰20-22
• 2.2 可燃液体燃烧理论22-24
• 2.3 小尺度火焰稳燃机理24-26
• 2.4 电场对火焰的作用26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 实验系统和研究方法29-37
• 3.1 实验系统29-32
• 3.1.1 燃料供给系统31
• 3.1.2 燃烧系统31
• 3.1.3 外加条件系统31-32
• 3.1.4 观测系统32
• 3.2 实验方法和数据处理32-35
• 3.2.1 小火焰尺寸32-33
• 3.2.2 小火焰温度33-34
• 3.2.3 电学特性实验34-35
• 3.3 误差分析35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 计算模型建立和数值模拟方法37-50
• 4.1 数值模拟的特点37
• 4.2 物理模型建立37-39
• 4.3 网格划分和边界条件39-40
• 4.4 相关数学模型40-45
• 4.4.1 流动数学模型40-41
• 4.4.2 传热数学模型41-42
• 4.4.3 物质输运模型和反应数学模型42-44
• 4.4.4 外加电场数学模型44-45
• 4.5 求解方法45-46
• 4.6 计算结果处理46-48
• 4.6.1 数值模拟结果数据整理46
• 4.6.2 液体乙醇流速和体积流量换算46-47
• 4.6.4 电场强度处理47
• 4.6.5 其他数据处理47-48
• 4.7 误差分析48-49
• 4.8 本章小结49-50
• 第五章 燃烧器喷管管径和燃料流量对小火焰特性的影响50-56
• 5.1 燃料流量对小火焰特性的影响50-52
• 5.2 燃烧器喷管管径对小火焰特性的影响52-54
• 5.3 小火焰特性参数分析54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 散热条件对小火焰特性的影响56-65
• 6.1 散热条件对小火焰稳定燃烧极限的影响56-57
• 6.2 散热条件对小火焰尺寸的影响57-59
• 6.3 散热条件对小火焰温度分布的影响59-62
• 6.4 小火焰散热损失计算62-63
• 6.5 本章小结63-65
• 第七章 外加电场作用对小火焰特性的影响65-72
• 7.1 直流电场对小火焰温度及乙醇组分分布的影响65-67
• 7.2 直流电场对小火焰周围速度场的影响67-69
• 7.3 直流电场对小火焰化学反应速率的影响69
• 7.4 直流电场对小火焰稳定性的影响69-70
• 7.5 外加电场消耗的电功率70-71
• 7.6 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 杨泽亮;李微;甘云华;;受限空间对乙醇扩散小火焰的影响研究[J];热科学与技术;2010年03期

2 甘云华;王美;史艳玲;;乙醇小尺度射流扩散火焰燃烧温度及稳燃特性[J];中国电机工程学报;2014年17期

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本文编号：699706