微尺度平板式和圆柱形燃烧器的实验和数值模拟研究
发布时间：2020-08-22 22:41
【摘要】：作为微电子机械系统的分支,基于高能量密度碳氢燃料燃烧的微型动力系统一直是科学研究的热门方向。对独立微尺度燃烧腔的性能开展研究对微型动力系统的设计具有指导意义。本文结合实验和Ansys Fluent 16.0数值模拟对微尺度平板式和圆柱形燃烧器开展研究,模拟过程中采用详细化学反应机理,并借助用户自定义方程(UDF)设定特定条件。本文主要研究目的在于探讨微尺度燃烧的影响因素,提高微尺度燃烧的稳定性,对微燃烧器结构优化提出合理性建议。平板式微燃烧器主要应用在微热光伏发电系统中。作为微热光伏系统的核心部件,微燃烧器壁面辐射效率的提高,以及壁面温度均匀性和火焰稳定性的增强能够有效地提高系统的整体效率,延长电池寿命。本文对平板式微燃烧器研究表明,燃烧器填充多孔介质后,外壁面温度和辐射效率明显增加,火焰稳定性增强。提高多孔介质孔隙率,外壁面的温度升高,火焰位置随流速移动的敏感性减小。此外,结合钝体的稳燃特性和多孔介质的热回流性质对燃烧器结构进行优化。研究结果表明:在半钝体燃烧器中,钝体宽度增加,外壁面温度降低,火焰稳定性减小。在半钝体燃烧器结构中,甲烷预混燃烧的壁面热辐射性能增强。氢气预混燃烧与甲烷存在差异:氢气在尾部半填充多孔介质燃烧时,外壁面存在两个高温区,温度均匀性增加。此时外壁面的热性能要高于半钝体燃烧器和全填充多孔介质燃烧器。采用圆柱形石英管燃烧器对甲烷火焰动态特性进行研究和分析。实验过程中观察到在不同氧气浓度下火焰出现反复熄火着火、稳定燃烧和双层震荡火焰状态。结合UDF定义壁面温度分析火焰稳定特性研究发现,负拉伸火焰能够提高火焰稳定性,正拉伸火焰稳定性降低。通过套管优化圆柱形燃烧器结果表明:套管燃烧能够增强燃烧器壁面和火焰热耦合效应,火焰的温度和稳定性得到提高,同时外壁面温度显著提高。因此套管微燃烧器更加适用于微动力系统燃烧器。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ515
【图文】：
图 1-1 锂离子电池与其他烃类和含氧烃类燃料及不同发动机的能量密度对比[14]微尺度碳氢类燃料燃烧极大地促进微电子机械系统的应用。微动力系统的特小通常几毫米和几厘米之间，通过燃烧腔将燃料的化学能转换为热能，进而能进行发电，最终输出电能。微动力系统的发展可以追溯到 1997 年，当时 Eenturia[15]在美国航天航空学会上提出了“微型热机”的概念。他们指出根据力学循环（布雷顿和朗肯等循环），特征尺度在亚厘米级别的微型动力系统 10 到 100 瓦的功率输出，为动力和推进领域提供新的机遇。Chigier 等人[1碳氢燃料燃烧的微动力系统可以实现10 kWh/kg的能量密度输出,系统输出的电功率和机械功率密度可以与大型机器的功率密度相比，因此这类微型热发广泛地应用于移动动力源、推进发动机、循环回路控制以及电子冷却动力系自“微型热机”的概念提出后，不同类型的微发电系统，如微燃气轮机[17]、动机[18]、微热电装置[19]和微热光电系统(Micro Thermophotovoltaic SyTPV）)[19, 20]等动力系统得到了不断的发展。
图 1-2 1996 年 Epstein 等人设计的微型燃气轮机的燃烧系统结构图[15]年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基础上，设计、制料加工而成的微燃气轮机燃烧系统。并通过计算流体动力学（下预混氢气完全燃烧所需的最小体积，选择燃烧室的轴向长度该燃烧系统的体积小于 0.07 cm3，由三个 1 mm 的硅片堆叠而成器、燃烧室入口孔和燃烧室。燃烧室是一个高度为 1 mm 的环66 mm3，燃烧器的内外径分别为 5 mm 和 10 mm。实验证明燃烧混氢气燃烧。在当量比为 1.0 的预混氢气燃烧时，燃烧室的出 K，达到了涡轮的理想气体温度。但由于平台的热隔离性能差，烧室的总体效率只能保持在 40%-60%之间。
图 1-2 1996 年 Epstein 等人设计的微型燃气轮机的燃烧系统结构图[15]1998 年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基础上，设计、制造并测试首台利用硅材料加工而成的微燃气轮机燃烧系统。并通过计算流体动力学（CFD）预测的大气压力下预混氢气完全燃烧所需的最小体积，选择燃烧室的轴向长度，结构如图1-3 所示。该燃烧系统的体积小于 0.07 cm3，由三个 1 mm 的硅片堆叠而成，配有燃料歧管和喷油器、燃烧室入口孔和燃烧室。燃烧室是一个高度为 1 mm 的环形区域，体积为直径 66 mm3，燃烧器的内外径分别为 5 mm 和 10 mm。实验证明燃烧室能够维持预混和非预混氢气燃烧。在当量比为 1.0 的预混氢气燃烧时，燃烧室的出口温度可以达到 1800 K，达到了涡轮的理想气体温度。但由于平台的热隔离性能差，导致过高的热损失，燃烧室的总体效率只能保持在 40%-60%之间。
本文编号：2801242
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ515
【图文】：
图 1-1 锂离子电池与其他烃类和含氧烃类燃料及不同发动机的能量密度对比[14]微尺度碳氢类燃料燃烧极大地促进微电子机械系统的应用。微动力系统的特小通常几毫米和几厘米之间，通过燃烧腔将燃料的化学能转换为热能，进而能进行发电，最终输出电能。微动力系统的发展可以追溯到 1997 年，当时 Eenturia[15]在美国航天航空学会上提出了“微型热机”的概念。他们指出根据力学循环（布雷顿和朗肯等循环），特征尺度在亚厘米级别的微型动力系统 10 到 100 瓦的功率输出，为动力和推进领域提供新的机遇。Chigier 等人[1碳氢燃料燃烧的微动力系统可以实现10 kWh/kg的能量密度输出,系统输出的电功率和机械功率密度可以与大型机器的功率密度相比，因此这类微型热发广泛地应用于移动动力源、推进发动机、循环回路控制以及电子冷却动力系自“微型热机”的概念提出后，不同类型的微发电系统，如微燃气轮机[17]、动机[18]、微热电装置[19]和微热光电系统(Micro Thermophotovoltaic SyTPV）)[19, 20]等动力系统得到了不断的发展。
图 1-2 1996 年 Epstein 等人设计的微型燃气轮机的燃烧系统结构图[15]年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基础上，设计、制料加工而成的微燃气轮机燃烧系统。并通过计算流体动力学（下预混氢气完全燃烧所需的最小体积，选择燃烧室的轴向长度该燃烧系统的体积小于 0.07 cm3，由三个 1 mm 的硅片堆叠而成器、燃烧室入口孔和燃烧室。燃烧室是一个高度为 1 mm 的环66 mm3，燃烧器的内外径分别为 5 mm 和 10 mm。实验证明燃烧混氢气燃烧。在当量比为 1.0 的预混氢气燃烧时，燃烧室的出 K，达到了涡轮的理想气体温度。但由于平台的热隔离性能差，烧室的总体效率只能保持在 40%-60%之间。
图 1-2 1996 年 Epstein 等人设计的微型燃气轮机的燃烧系统结构图[15]1998 年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基础上，设计、制造并测试首台利用硅材料加工而成的微燃气轮机燃烧系统。并通过计算流体动力学（CFD）预测的大气压力下预混氢气完全燃烧所需的最小体积，选择燃烧室的轴向长度，结构如图1-3 所示。该燃烧系统的体积小于 0.07 cm3，由三个 1 mm 的硅片堆叠而成，配有燃料歧管和喷油器、燃烧室入口孔和燃烧室。燃烧室是一个高度为 1 mm 的环形区域，体积为直径 66 mm3，燃烧器的内外径分别为 5 mm 和 10 mm。实验证明燃烧室能够维持预混和非预混氢气燃烧。在当量比为 1.0 的预混氢气燃烧时，燃烧室的出口温度可以达到 1800 K，达到了涡轮的理想气体温度。但由于平台的热隔离性能差，导致过高的热损失，燃烧室的总体效率只能保持在 40%-60%之间。
【参考文献】
相关会议论文 前1条
1 吴茂钧;黄锦斐;;微电子机械系统(MEMS)综述[A];2005年上海市电镀与表面精饰学术年会论文集[C];2005年
本文编号：2801242
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/2801242.html
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