微小通道内火焰传播及稳定性的实验和数值研究
发布时间：2021-07-02 07:25
归功于微制造和集成电路技术的快速发展,使微型机电系统（MEMS）如各类便携式通讯设备和小型传感器等的快速原型设计和批量制造得以实现。当前,通常以各类化学电池为MEMS系统提供动力,但由于其体积能量密度较低,导致其在小型化方面存在较大的瓶颈。而相较于各类化学电池,碳氢燃料的能量密度要高十几甚至几十倍。因此,以碳氢燃料的微小尺度燃烧为MEMS供能从理论上将具有高能量比和可快速充能等显著优势。作为一个有较大潜力的微型供能技术,微小尺度燃烧技术自上世纪九十年代以来得到广泛的研究和快速的发展。然而与常规宏观尺度的燃烧不同,微小尺度燃烧往往在毫米甚至更小的尺度下进行,致使火焰与壁面间的热和化学相互作用增强,更易出现火焰失稳甚至是熄灭。因此,对微小尺度下火焰的传播行为和稳定性进行研究对其在MEMS系统中的安全和高效应用至关重要。针对上述微小尺度燃烧中存在的问题和挑战,本文分别从微型通道内低流速下火焰的向上传播和高流速下火焰的稳定性两方面进行实验和模拟研究。在火焰传播方面,通过构建矩形截面的微小通道,研究甲烷/空气预混火焰在其中的火焰传播特性。利用高速相机和激光诱导荧光（PLIF）系统获取了火焰传播速...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?一种微型的由电池供能的通信设备丨２】??
者，如Ｓｐａｌｄｉｎｇ??等人在上世纪５０年代己开展对火焰淬熄的理论研宂［３］。且火焰淬熄己在火焰抑??制等火灾领域得到广泛应用，如火焰抑制器等货架产品。而“微小尺度燃烧”经??过近二十年的发展，在理论和应用方面取得了大量引入注目的研宄成果［４－６］。??１４０００［??３?１２０００－＾ＳＩ??｜?？０００??ｙ?２４Ｕ?Ｐｒｉｍａｒｙ?Ｂａｔ咖??的?ｚｏｏｏ?Ｍ?ｍ?ｎ??－?＾?＾??〇?＾?ｍＵｒ＾?．?ｌｌＷｙ?＾?—ＩＦ１、?＾??、爆游ｒ??图１－２液体碳氧燃料（辛烷）与不同类型化学电池的单位庞量能量密度??对比［１】??１．１．１微小尺度燃烧的应用??在过去的近二十年中，开发出大量基于微小尺度燃烧应用设备的原型机，??这些应用大致可分为四类：微型内燃机，微型推进器，微型光伏或热电设备以及??微型燃料重整设备。??１．微型内燃机??对微型内燃机的研宄主要包括微型涡轮发动机、微型转子发动机以及微型活??塞发动机三大类。来自美国麻省理工大学的课题组对微型气体涡轮机（ＭＴＧ）进??行了一系列的研宄［７－９］。如图１－３所示为ＭＧＴ原型机示意图，主要包括涡轮、??燃料入口，燃烧废气出口以及燃烧室，其由硅材料加工而成，总体积为１９５?ｍｍ３。??其通过燃烧生成的高温膨胀压力作用驱动涡轮转动，并最终向外输出做功。其运??行的压力比可达４，转速为５００ｒ／ｓ。在乙烯－空气作为燃料的情况下，燃烧效率可??高达８０％，出口处的气体温度可达１６００?Ｋ，由此可获得５００?ＭＷ／ｍ３的能量密度。??但是相对于气体燃料，液体燃料的燃烧效率和稳定性面临更大的挑战。??２??
?第１章绪论???ｉ?（３）?ｆｔ）、??ｒ；．．．．．．．．．．．．．．．：■．?ｔ?……＿?．?Ａ?丄?ｒ?—?一－二?＿＾?Ｊ??ＩＭｈ?＂＿＿＿＿＿＿＿＿＿?＝ｎｒｒ－?＾??）＊?—?—???ａｉ?ｍｍ???????－■丨．丨，???ｍｉ??图１－３?ＭＩＴ研发的微型气体涡轮机原型机（ａ）及其内部的刀片结构（ｂ）［７］??２．微型推进器??微型推进器相较于常规宏观尺度的推进器具有明显的优势，其可产生一个较??低的推进力和时间脉动分别为１?ｍＮ和１０＿５?Ｎｓ量级。这有利于在需要进行精准??微调的情形下使用，例如对于小型卫星的位置调整等。图１－４所示为加州理工与??ＴＲＷ航天公司联合研制的三层芯片式微型推进器［１０］。微推进器芯片由硅层和玻??璃层组成，顶部和中间层分别蚀刻喷管和燃烧室，并在其中注入推进剂。在图１－４??的右侧为微推力器在微航天器中的潜在应用场景，微推力器为微型航天器的变轨??和转向等提供动力。??欄??ＩＩ＾？ｅ?＿??图１－４三层芯片式微型推进器以及其在撖型航天器上的应用场景概念图??［１０］??此外，来自ＭＩＴ的课题组提出了另一种微型推进器的设计方案如图１－５所??示［１１］。微推进器的总体尺寸为１８?ｍｍ?ｘ?１３．５?ｍｍ?ｘ?３?ｍｍ，经过测试所得的推进??力为１Ｎ推进的功率可达７５０?Ｗ。此外，还采用了碳氢燃料并联合使用催化剂以??提升燃烧的稳定性［１２－１４］。??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigations on effects of bluff body in flat plate micro thermo photovoltaic combustor with sudden expansion[J]. 鄂加强,黄海蛟,赵晓欢. Journal of Central South University. 2016(04)
本文编号：3260029
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?一种微型的由电池供能的通信设备丨２】??
者，如Ｓｐａｌｄｉｎｇ??等人在上世纪５０年代己开展对火焰淬熄的理论研宂［３］。且火焰淬熄己在火焰抑??制等火灾领域得到广泛应用，如火焰抑制器等货架产品。而“微小尺度燃烧”经??过近二十年的发展，在理论和应用方面取得了大量引入注目的研宄成果［４－６］。??１４０００［??３?１２０００－＾ＳＩ??｜?？０００??ｙ?２４Ｕ?Ｐｒｉｍａｒｙ?Ｂａｔ咖??的?ｚｏｏｏ?Ｍ?ｍ?ｎ??－?＾?＾??〇?＾?ｍＵｒ＾?．?ｌｌＷｙ?＾?—ＩＦ１、?＾??、爆游ｒ??图１－２液体碳氧燃料（辛烷）与不同类型化学电池的单位庞量能量密度??对比［１】??１．１．１微小尺度燃烧的应用??在过去的近二十年中，开发出大量基于微小尺度燃烧应用设备的原型机，??这些应用大致可分为四类：微型内燃机，微型推进器，微型光伏或热电设备以及??微型燃料重整设备。??１．微型内燃机??对微型内燃机的研宄主要包括微型涡轮发动机、微型转子发动机以及微型活??塞发动机三大类。来自美国麻省理工大学的课题组对微型气体涡轮机（ＭＴＧ）进??行了一系列的研宄［７－９］。如图１－３所示为ＭＧＴ原型机示意图，主要包括涡轮、??燃料入口，燃烧废气出口以及燃烧室，其由硅材料加工而成，总体积为１９５?ｍｍ３。??其通过燃烧生成的高温膨胀压力作用驱动涡轮转动，并最终向外输出做功。其运??行的压力比可达４，转速为５００ｒ／ｓ。在乙烯－空气作为燃料的情况下，燃烧效率可??高达８０％，出口处的气体温度可达１６００?Ｋ，由此可获得５００?ＭＷ／ｍ３的能量密度。??但是相对于气体燃料，液体燃料的燃烧效率和稳定性面临更大的挑战。??２??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigations on effects of bluff body in flat plate micro thermo photovoltaic combustor with sudden expansion[J]. 鄂加强,黄海蛟,赵晓欢. Journal of Central South University. 2016(04)
本文编号：3260029
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