三棱锥/空心半球型钝体微燃烧器内甲烷催化燃烧特性数值研究

摘要

随着微机电系统的迅猛发展，微燃烧器作为一种新型的便携式动力装置得到日益广泛的应用。微燃烧动力装置具有体积小、质量轻、能量密度大等优点，在国防、军事和航空领域应用前景广阔，但燃烧空间较小、面容比较大、热量损失严重、燃烧不稳定、效率不高。如何保证微燃烧室内的高效、稳定燃烧，已成为微燃烧领域急需解决的关键问题和研究热点。研究表明，碳氢燃料的能源密度比当前阶段的锂电池高几十倍，所以，借助于碳氢燃料的燃烧为微动力装置提供能量是一种可行的方式。本文在深入分析了当前阶段的微通道稳燃技术的优缺点之后，采用钝体加入的方式来改善微尺度燃烧器的燃烧特性。
　　本文基于FLUENT软件，同时考虑甲烷/氧气的详细化学反应机理，对平板型微燃烧器、三棱锥型钝体微燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器的燃烧特性进行了详细的数值模拟分析。
　　数值研究结果表明，因为三棱锥型钝体和空心半球型钝体的存在，三棱锥型钝体微燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器的熄火极限相对于平板型微燃烧器扩大2.3倍和2.5倍左右，当量比1.0时对应的熄火极限分别为22.6m/s和24.5m/s。空心半球型钝体对于平板型微燃烧器燃烧特性的提升效果更佳。平板型微燃烧器和三棱锥型钝体微燃烧器的排烟温度均出现了先增加后减小的现象，两者之间的差值随着混合气体入口速度的增加而增加。在三棱锥型钝体微燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器中，随着入口气体速度的增加，钝体后方的回流区面积逐渐增大，从而延长了混合气体在微燃烧室内的停留时间，有效促进了甲烷与氧气的化学反应。在空心半球形钝体微燃烧器中心轴向方向上，甲烷转化率会在钝体处出现骤升现象，该现象不受当量比和混合气体入口速度的影响，当量比1.0和入口速度1.0m/s下，甲烷转化率从0.24％急速增加到17.95%。
　　在三棱锥型钝体微燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器的燃烧过程中，当量比为1.0的时候，甲烷转化率达到了最大值，三棱锥型钝体微燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器燃烧效率分别高达81.56%和97.84%。出口处甲烷转化率随着入口气体速度的增加先增加后减小。三棱锥型钝体和空心半球型钝体阻塞比对于燃烧具有重要影响，随着阻塞比的增加，甲烷转化率出现了先增大后减小的现象，两种燃烧器在阻塞比分别为0.22和0.3时，甲烷转化率达到了最大值。过小的阻塞比无法发挥钝体的作用，较大的阻塞比减小了混合气体的流通面积。氢气的添加在合适当量比条件下对于三棱锥型微尺度燃烧器和空心半球形钝体微燃烧器的甲烷燃烧具有促进作用。

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主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 目前研究的不足

1.4 本课题的提出、研究目的、内容、技术路线

2 物理、数学模型及计算方法

2.1 模型的建立

2.2 催化反应机理及计算方法

2.3 数值计算验证

2.4小结

3 三棱锥型钝体微燃烧器燃烧特性分析

3.1平板型燃烧器和三棱锥型钝体微燃烧器燃烧特性对比

3.2操作条件的影响

3.3添氢的影响

3.4小结

4 空心半球形钝体微燃烧器燃烧特性分析

4.1 空心半球形钝体微燃烧器和三棱锥型钝体微燃烧器燃烧特性

4.2甲烷质量分数沿空心半球形钝体微燃烧器轴向分布

4.3操作条件的影响

4.4添氢的影响

4.5小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文与专利目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目