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受限空间内微尺度乙醇扩散火焰特性的实验研究与数值解析

杨帅  
【摘要】:本文对受限空间内微尺度乙醇扩散火焰特性进行实验研究与数值模拟。随着MEMS技术的迅速发展,微型动力系统的研究已成为当今研究的热点,微型动力系统在国防和经济建设中已经有了广泛的应用前景。目前国内外对在微尺度条件下液体燃料燃烧特性的基础研究比较少,对受限空间内微尺度火焰的结构特性和温度特性研究有重要意义。采用实验和数值研究相结合的研究方法来分析火焰形态特征、温度特征以及流动特性与管径、燃料流量和受限空间之间的关系,揭示液态燃料微细尺度的燃烧机理。 在实验研究中,选取内径分别为0.6mm和1.0mm的陶瓷管作为燃烧器。采用微型注射泵来实现微流量液体燃料的供给;体视显微镜配以数字摄像头及计算机来观测微火焰结构;S型热电偶测量微火焰温度;不同尺寸的玻璃管作为受限空间。 在数值模拟过程中,采用Fluent6.3数值模拟软件建立了与实验相对应的二维对称数值燃烧模型。流动数学模型采用层流模型,辐射换热采用P-1辐射模型,燃烧化学反应采用层流有限速率模型,采用通用有限速率化学反应模型来计算乙醇的输送和燃烧,设置不同大小的燃烧区域作为受限空间,选择基于压力法的求解器进行数值计算。 在实验研究和数值解析的基础上对受限空间内液体乙醇层流扩散微火焰的形态特征、温度特性进行了对比分析。研究结果表明,实验拍摄到的淬熄极限火焰、稳定火焰和振荡火焰与数值模拟火焰外形结构相似度较高。实验和数值模拟得到的微火焰高度与液体乙醇体积流量之间为线性增加关系,数值模拟的线性斜率比实验要高,说明数值模拟模型只在小流量范围内适用;微火焰高度的数值模拟值均比实验值大,但偏差在10%以内。在不同流量条件下,微火焰温度的数值模拟值与实验值吻合较好。以上分析结果证明了数值模拟的可靠性。 在一定的受限空间燃烧范围内,受限空间越小,火焰高度越小。由于受限空间的影响进入燃烧区域的空气得到了预热,使得受限空间的火焰温度高于自由空间的火焰温度;然而受限空间过小时,燃料燃烧所需的空气量不足,燃料燃烧不完全,导致火焰温度低于自由空间内火焰温度。在自由空间燃烧工况下,喷管出口处乙醇扩散的高度比受限内空间下乙醇扩散的高度高,即自由空间下液体乙醇燃烧的火焰面比受限空间工况下的火焰面高。


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