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微尺度火焰及微燃烧器的稳燃强化技术研究

蒋利桥  
【摘要】: 基于碳氢燃料燃烧的微动力/发电系统具有高的能量密度,能为便携式微型装置直接提供动力或作为电源供应电能,是传统化学电池的潜在替代产品,其用应前景广阔。微尺度燃烧特性及微燃烧器技术的研究对发展基于碳氢燃料燃烧的微动力/发电系统至关重要。本论文首先从微尺度火焰结构及其熄火特性详细探讨了微火焰稳定性变差的机理,然后针对微尺度下S╱V(表面积/体积)增大导致微燃烧器热损失急剧增大的问题,本论文提出一种基于热、质逆流组织壁面渗透燃烧场的方式来降低微燃烧器热损失,并从理论、实验及用应详细探讨了该技术的特点,研究结果对推动微尺度燃烧研究和微燃烧器技术发展有着积极的意义。 论文第二章从基于燃烧的微动力/发电系统、微燃烧器、微通道内燃烧及微火焰几方面评述了国内外研究机构的主要研究工作成果及最新进展。通过分析认为尽管微动力/发电系统具有高能量密度的优点,但是由于微尺度燃烧方向的研究是门新兴学科,制约微燃烧器和微动力/发电系统性能的许多关键问题还没有解决,特别需要对微尺度燃烧过程、微燃烧器稳定燃烧技术等核心问题进行细致、系统的研究。 论文第三章从燃烧过程中的流动、传热和传质以及燃烧化学反应无量纲参数的变化出发,在理论上简要分析了微尺度效应对燃烧过程的影响,得出了影响微尺度下燃烧器热损失的主要因素。针对本研究论文所提出的热、质逆流组织燃烧场机理降低热损失方法,以圆柱多孔介质壁面渗透燃烧过程为物理模型,建立和分析了该燃烧方式下壁面内、以及火焰与壁面之间的换热模型,并给出了壁面附近未燃气膜内温度场分析解。 论文第四章对静止空气中的自由射流甲烷扩散和甲烷/空气预混合微火焰进行了详细的实验研究,从火焰结构和熄火特性考察了燃烧过程的微尺度效应。实验结果表明微尺度下射流火焰均为层流火焰,火焰均呈蓝色;无因次化参数H╱d(火焰高度/喷管内径)与喷管出口Re数成正比线性关系,并分别拟合了扩散和预混合微火焰的H╱d~Re经验关系式,对于预混合微火焰,H╱d~Re关系式斜率还随混合气燃料当量比减小而减小。喷管直径的变小对微火焰的熄火吹熄极限速度影响很小,但随着喷管直径的变小,微火焰容易发生淬熄。特别是当微喷管当量直径小于0.5mm后,火焰的淬熄极限速度随喷管直径变小急剧上升,同时获得稳定预混合微火焰的临界当量比也随喷管直径减小急剧上升,实验拟合了微扩散火焰淬熄火极限速度与喷管直径变化经验关系式。微火焰燃烧过程数值分析结果表明,随着喷管直径的减小,热量扩散作用增强所导致的散热增大是微火焰熄火的主要原因,而对于大的当量比下的预混微火焰,其内层预混和外层扩散的双层火焰结构强化了微火焰的稳定性。研究结果表明微火焰的熄火机制是热量扩散和组分扩散共同作用的结果。 论文第五章设计了一种管状多孔壁面渗透燃烧原理实验的微燃烧装置原型,其燃烧室尺寸为高度×直径=19.5mm×10mm。实验对比观察了不同进气方式下微燃烧装置内火焰形态及其稳定位置,结果证实了采用多孔壁面进预混气的壁面渗透燃烧方式可以在微燃烧室内获得稳定火焰。在壁面进预混气的基础上,通过在前端面中心进部分空气,可以拓展稳定燃烧总混合气当量比极限范围,但不能增加燃烧装置内的燃烧热负荷。在组织壁面渗透燃烧时,燃烧室内形成蓝色管状火焰沿整个燃烧室壁面分布,火焰厚度为1mm左右,火焰面与壁面之间的距离为1mm左右。燃烧工况(燃料当量比和燃料流量)变化时,火焰面上温度高于1200℃,而燃烧装置外壁面温度均低于350℃,多孔壁面与微火焰之间存在一层未燃气薄层,该气膜隔断了高温火焰与壁面直接接触,在火焰与壁面之间形成大的温差,使得微燃烧装置的热损失显著降低。热损失降低的原因为:(1)未然气膜薄层隔断了火焰与壁面的对流换热,使得微燃烧装置外壁面温度大大降低;(2)接近于燃烧室内表面积的管状火焰面使得燃烧室内火焰温度分布均匀,不存在局部高温,有效减少与温度四次方成正比的火焰辐射热量损失;(3)多孔壁面与冷预混气的高效换热将大部分壁面热损失回收。采用壁面渗透燃烧的微燃烧装置内火焰稳定性得到了很好的强化,其机理为:(1)壁面渗透燃烧场组织方式有效延长了反应区燃料的物理停留时间;(2)热损失的降低和预混气在多孔壁面内的高效预热阻止了化学反应时间的延长;(3)壁面渗透燃烧场组织方式有效地防止了壁面化学熄火。 论文第六章实验研究了基于壁面渗透燃烧的自隔热微型燃烧器性能。微燃烧器内燃料转换率均大于97%,当量比在0.7~1.0范围时,燃烧效率稳定在90%以上,混合气流量(燃烧热负荷)的变化对燃烧效率影响不大,高的热负荷下微燃烧器热损失比例降低;在热负荷范围为60~140W/cm~3稳定燃烧时,整个燃烧器外侧壁面热损失率低于15%。


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