氢气/空气在多孔介质微燃烧器中预混燃烧特性的数值模拟

摘要

微尺度燃烧随着 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展而被提出，在便携式发电方面存在很大潜力。多孔介质燃烧技术通过提高热传导，增强燃烧室热循环，可以作为增强微型燃烧器火焰稳定性的一种潜在手段。多孔介质微型燃烧技术从九十年代才开始发展，仍存在较多科学难题需要深入研究。
　　本文分别应用热平衡模型和非热平衡模型两种常用研究思想对氢气/空气的预混气体在平板型多孔介质微燃烧室内的燃烧特性展开CFD模拟研究。非热平衡模型在热平衡模型的基础上进一步考虑气固两相之间的对流换热和气相的热弥散效应。
　　本文首先分析了应用热平衡模型条件下入口条件（入口流速 U0和当量比Φ）、多孔介质属性（多孔介质孔隙率和多孔介质导热系数ks）以及壁面导热系数 kw对壁面温度、火焰温度、火焰位置、火焰速度等燃烧特性的影响。研究表明，相比于自由火焰，多孔介质微型燃烧室可以实现更高的壁面温度、更低的火焰温度及更均匀的温度分布和 OH分布。在有多孔介质填充的微尺度燃烧室内火焰位置随着入口流速的增大呈“U”形发展。当多孔介质导热系数 ks与壁面导热系数 kw在同一数量级时，有助于将火焰稳定在狭窄的范围内。另外火焰速度随入口流速的增大线性变化。
　　本文还应用非热平衡模型进行了数值模拟研究，作为热平衡模型计算结果的补充和优化。非热平衡模拟过程中重点研究了各关键参数对热循环效果的影响。结果表明：与更准确的非热平衡模型相比，热平衡模型计算得到的火焰温度偏低，火焰位置偏上游。但是多孔介质导热系数很低时，两种模型之间的差异减小。
　　孔隙度和多孔介导热系数ks在多孔介质微燃烧室中对回热效果有显著的影响，主要表现在火焰位置和壁温分布的差异上，但是燃烧温度随这两个参数的变化基本不变。
　　气体混合物和多孔介质之间的对流换热引起的热循环对预热未燃烧气体起决定作用，通过燃烧室壁面的导热引起的热循环对预热未燃烧气体起次要作用。孔隙率、当量比Φ减小或者ks的增大都会导致流体向固体的对流换热效率ηg-s增大。通过壁面传递热量的能力受壁面导热系数kw限制，流体向壁面的对流换热效率ηg-w相对流体向固体的对流换热效率ηg-s普遍较小。孔隙率、当量比Φ增大或者壁面导热系数 kw的减小都会导致壁面对流体的对流换热效率ηg-w增大。
　　上述多孔介质微燃烧器的模拟研究为提高微燃烧效率提供了理论指导。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2多孔介质微尺度燃烧研究现状

1.3本文的研究思路及主要研究内容

第二章 多孔介质微尺度燃烧的数学物理模型和数值方法

2.1燃烧热力学与动力学基础

2.2多孔介质模型

2.3多孔介质微尺度燃烧的物理模型

2.4多孔介质微尺度燃烧的数学模型

2.5数值计算方法

2.6微燃烧室及多孔介质的特性参数的取值

2.7多孔介质内的辐射传递模型

2.8本章小结

第三章 多孔介质微燃烧热平衡模型的数值研究

3.1模型网格验证

3.2自由火焰微燃烧计算与实验结果拟合

3.3多孔介质微燃烧与自由火焰微燃烧比较

3.4多孔介质参数影响

3.5火焰位置研究

3.6火焰速度研究

3.7本章小结

第四章 多孔介质微燃烧非热平衡模型的数值研究

4.1多孔介质微燃烧非热平衡计算与实验拟合

4.2非热平衡与热平衡计算模型比较

4.3多孔介质参数影响

4.4多孔介质对流体的对流换热效率

4.5壁面对流体的对流换热效率

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢