微型发动机燃烧室的模拟研究

简要介绍了微型发动机的研究意义和应用前景。采用模拟软件对微型发动机燃烧室中的燃烧现象进行了模拟,并对影响燃烧的主要因素进行了分析,为微型燃烧室的设计提供了依据。

微型发动机的燃烧模型和数值模拟

提出了微型发动机燃烧过程的数学模型,并对采用氢气为燃料的微型涡轮机中环形燃烧室内的燃烧,建立了阿累尼乌斯有限反应速率模型,在考虑对流和辐射传热损失的条件下,采用CFD软件包FLUENT进行了数值模拟.根据所得到的模拟结果分析了影响燃烧的主要因素:结构、燃料、质量流率、H2与空气比和壁面材料,提出了克服尺寸减小对燃烧带来的困难的途径.

微热光电系统中的微燃烧研究

描述了一种新颖的 MEMS动力源概念 ,即微热光电 ( TPV)系统。该系统将使用氢气作为燃料 ,每立方厘米体积能够发出 1～ 1 0 W的电力。微燃烧室是该系统中最重要的元件之一 ,为了获得较高的电能输出 ,燃烧室壁面的温度分布要求高而且均匀。由于微燃烧室面容比大 ,热损失显著增加 ;着火困难并使火焰窒熄。为了测试微燃烧室内燃烧的可行性和确定影响燃烧的有关因素 ,进行了实验和数值模拟。结果表明燃烧室壁面能够得到要求的高温 ,且温度分布均匀。

平板式MTPV系统中燃烧若干影响因素的试验

平板式微热光电(MTPV)能源系统采取全新的亚毫米平板式燃烧室取代以往的圆柱式,对应的面容比的增加将提高燃烧室壁面的能量输出,从而提高系统的能量密度.针对石英玻璃材质的平板式燃烧室,改变氢气流量、氢氧混合比以及平行板间夹缝距离等,进行燃烧试验,测试了外壁面和出口的温度,进而分析几种因素的影响规律.结果表明,在一定条件下,亚毫米平板式微燃烧室能克服壁面能量损失激增而带来的着火困难和火焰淬熄等问题,能够实现稳定燃烧.合理选择工况参数,可以提高燃烧室温度和优化温度分布,提升系统工作性能.

甲烷和氢气在亚毫米微燃烧室内燃烧的试验对比

在碳化硅材料的亚毫米尺度微燃烧室内,针对甲烷和氢气两种不同燃料进行了燃料与氧气预混合燃烧的试验。利用热电偶测出燃烧室壁面温度并进行了分析。结果表明:在燃料和氧气的总体积流量相同时,燃用甲烷时燃烧室的壁面平均温度更高,但氢气的燃烧室壁面温度更加均匀,梯度更小;氢气比甲烷有更宽的可燃范围,试验时甲烷/氧气在总体积流量为700mL/min、混合比为化学当量比时燃烧不能进行,而氢气和氧气在相同条件下能够燃烧。

微动力机电系统的发展动态与展望

在阐述微动力机电系统研究意义的基础上,对其在国内外的发展动态及趋势进行了回顾,重点介绍了双区燃烧微涡轮机、微型往复式电力发生器、微转子发动机以及作者研究的微热光电动力系统.这种新型的微热光电系统具有无运动部件、热量利用效率高、制造成本低等优点.最后论述了微机电动力系统研究中面临的主要挑战,并重点总结了需要解决的一些基础问题.

微热光电系统中柱型燃烧室的试验

微燃烧室是微热光电(MTPV)系统的一个重要组成部分。对一种薄壁柱型微燃烧室进行了试验,得到了氢氧混合比ε和喷嘴孔径Φ对微燃烧室外壁面和出口端面温度分布影响的规律。在不同流量、不同喷嘴孔径下,当ε为1.8时,获得的壁面温度平均值最高。当Φ为0.7mm、ε为1.8时,在微燃烧室获得高且分布均匀的壁面温度,适合于MTPV系统应用。

微尺度燃烧过程中传热准则数分析

在微尺度条件下,由于对流传热和燃烧过程耦合发生在很小的范围内,因此微燃烧室内部的对流换热问题比较复杂。根据微燃烧室内部流动、传热和燃烧过程模拟计算的结果,采用无量纲分析方法,计算出表征距入口x处各通道截面平均对流换热强度的努塞尔数Nux,并分析入口参数对Nux的影响。对多组计算结果进行多元回归拟合,最终得到各截面平均Nux与雷诺数Rex、普朗特数Prx和无量纲变量θ之间的函数表达式。

柴油机燃油供给系统故障诊断研究

柴油机燃油供给系统故障直接影响燃油的喷射质量和燃烧过程,进而影响柴油机的动力性、经济性和可靠性,因此对燃油供给系统实施状态检测与故障诊断具有重要的现实意义。为此,阐述了燃油供给系统各种故障模式下的产生原因,进行了高压油管压力信号的波动分析,通过虚拟仪器实现故障特征参数提取,利用BP神经网络实现故障的诊断方法。结果表明,该方法可实现柴油机喷油器的不解体故障分析,有利于实时故障的在线诊断,在实际的故障诊断中具有一定的应用价值。

微热光电系统中多孔介质燃烧室性能试验

为优化燃烧室,设计加工了内径2.4 mm、外径3.0 mm的多种不同孔隙率的多孔介质结构微燃烧室,并在燃烧室内实现了氢氧混合气的稳定燃烧。改变氢氧体积混合比和混合气入口流量,对多孔介质微燃烧室进行了相关试验,分析了各种条件下微燃烧室的燃烧情况及外壁面的温度分布。研究结果表明,这些因素对混合气在微燃烧室内的燃烧有重要影响。多孔介质燃烧室在孔隙率为0.50,混合气入口流量为750 cm3/min,氢氧体积混合比为2∶1时燃烧效果较好,外壁面温度高且分布均匀,适合微热光电系统的应用。

能源对内燃机和其它动力装置发展的巨大影响

能源对内燃机和其它动力装置有着巨大影响。本文在阐述能源的重大意义的基础上,就其对内燃机和其它动力装置发展的进程和路径的影响分别进行了论述,也分析了能源问题的解决途径。

马脾铁蛋白铁核表层特性

马脾铁蛋白整体铁核的磷酸盐与铁组成比是1:8±0.5,而表层组成比却是1:3±0.2,在pH7～10内,铁蛋白随着pH值递增,它以65±5磷原子/蛋白分子/pH速率释放无机磷酸盐和185±5铁原子/蛋白分子/pH速率释放铁,其磷酸盐与铁释放分子比也是1:3±0.5,推测这一过程是发生于铁核表层组成的变化,随着体系pH增加,氢氧根离子参与铁蛋白铁核组成,取代铁核表层某些磷铁成份,构成新的铁核表层组成,使铁蛋白氧化还原中间电位以-115mV/pH速率向负线性漂移。

带有预热通道的微平行板燃烧器的数值模拟

为进一步提高平行板微热光电系统的整体转化效率和工作性能,设计了一种带有预热通道的新型微平行板燃烧器,采用数值模拟的研究方法,对比了入口氢气、氧气当量比为1.00,总流量为900 mL/min时有无预热通道的2种燃烧室内部、辐射壁面以及出口截面的温度分布.计算结果表明:氢气、氧气在2种燃烧器中混合充分,均能实现稳定的燃烧,而预热通道的设置则可通过提高燃料和氧化剂的进气焓值,从而改善了燃烧的效果,最终使辐射外表面平均温度增加了105 K,有利于提高微热光电系统的功率输出和光电转换效率.

材料和喷口直径对多孔介质微燃烧的影响

为了进一步优化微燃烧室的设计,以最大化提高微燃烧室的能量转换效率及微热光电系统的整体工作效率,在前期工作的基础上设计了不同多孔介质材料及喷嘴/燃烧室内径比的多孔介质微燃烧室。通过实验验证,针对多孔介质微燃烧室内的氢氧预混燃烧进行了数值模拟计算,研究结果表明,多孔介质材料,喷嘴/燃烧室内径比对微燃烧室内的微尺度燃烧有重要影响,微燃烧室在多孔介质材料为SiC,喷嘴/燃烧室内径比为0.27时燃烧效率最高,有利于提高微热光电系统的整体效率。

转子发动机流场的测试和数值模拟

为了研究端面进气转子发动机工作过程中缸内气流的运动规律,建立了可视化转子发动机实验台,利用PIV对发动机内部的流场进行了测试。实验结果显示缸体中心截面上存在逆时针涡流结构,测试区域内的气流整体上呈现沿逆时针方向的运动趋势。同时为了进一步解释实验所发现的现象,在FLUENT软件的基础上通过编程实现了三维网格运动并选择了合理的湍流模型,在与实验数据进行对比的基础上建立了可靠的三维动态模拟模型。通过实验和数值模拟相结合的方法研究获得了转子发动机的三维流动机理。

微平板式燃烧室内催化燃烧的试验研究

采用催化材料铂加工的微平板燃烧室,与碳化硅材料加工的微平板燃烧室在相同条件下进行了试验对比,分析了不同流量、不同当量比和不同燃烧室尺寸条件下催化燃烧对微燃烧性能的影响。试验结果表明,同样流量下,采用催化燃烧时的外壁面测点温度均比采用无催化的碳化硅燃烧室的高,且温度分布更均匀;不同于无催化的碳化硅燃烧室,铂加工的燃烧室在当量比为1时内部燃烧已经比较充分;催化燃烧能提高微尺度燃烧的稳定性,扩展燃烧极限。

微通道内气体库埃特流动的DSMC模拟

在不同马赫数和努森数条件下,采用DSMC方法对微通道库埃特流动进行直接模拟。结果表明:近壁处速度滑移随着Kn数的增加而增大,增加壁面平移速度将会导致板间的气体温度和压力随之显著增加。在过渡流区,气流速度的增幅受到Kn(努森)层的抑制,在接近自由分子流区后逐渐分布均匀;通道内温度和压力呈现中间高、近壁区域低的分布,在流动趋向自由分子流时,通道内温度和压力分布趋向均匀。

极限尺寸平板式微热光电系统的构建及性能评估

针对平板式微热光电系统,通过合理的分析和计算,给出了系统的一个极限尺寸以及相应的工作性能。研究过程中,系统完整的能量转换单元包括一个燃烧室、两个过滤层、两片光电池以及一个冷却通道,采用实验和计算分析相结合的方法,确定了各个部件的极限尺寸和相互位置,单元三个方向的总体尺寸分别为10 mm×8 mm×2.5 mm。随后通过建立的能量转换计算模型,对该尺寸下单元的各个性能参数进行计算,当氢氧混合气流量为1500 mL/min时,具体性能数据为:单元电能输出为3.51 W、总效率为1.74%、功率密度达到了17.55 W/cm^3,这充分论证了平板式微热光电系统充当微机械装置电源的可能性。