燃油喷射方向对微型涡扇发动机燃烧室性能影响的研究

针对某微型涡扇发动机燃烧室,通过数值模拟的方法得到燃油粒子蒸发与燃烧效率的关系,研究在燃烧室供油管中燃油喷射速度大小不变的条件下,燃油喷射方向对燃烧室性能的影响。研究表明:在不超过45°的范围内适当增加周向喷射角有利于增加燃油粒子的驻留时间,有利于更大粒径的燃油粒子在到达燃烧室出口前完成蒸发,从而提高整体的燃油蒸发率并提高燃烧效率;随着周向喷射角从0°增加到15°,燃烧效率从96.3%提高到97.2%。

带挡板的预混氢/空气燃料微型燃烧室的热性能优化

微燃烧室是微热光伏系统(MTPV)的重要组成部件。本研究中提出了一种能提高热性能的新型平板式带挡板的氢气/空气预混微型燃烧室,该燃烧室提升了平均壁温和理论辐射效率等性能,考虑了壁温均匀性,并优化了内置挡板的材料、数量、长度、厚度和布局等关键参数。研究结果表明,引入不锈钢材料的水平挡板将导致平均壁温明显升高约150 K,同时还能改善壁温分布使其更均匀。在考虑燃烧室和挡板的材料时,本文评估了不锈钢、氧化铝陶瓷、碳化硅和石英四种材料,其中不锈钢表现出最高的平均壁温和理论辐射效率,而碳化硅表现出最均匀的壁温。当微型燃烧室配备的挡板参数为:数量N=3,长度L=13.5 mm,厚度t=0.3 mm时,实现了最佳的热性能。值得注意的是,当微燃烧室内的挡板为以上结构参数时适合集群布局,这可以实现平均壁温、理论辐射效率和均匀性的更大改进。

氢氧混合气在微型TPV系统燃烧管内燃烧的数值模拟

介绍了微型TPV系统的工作原理,并对微型燃烧管内氢氧混合气体的燃烧,分别从流动控制方程、燃烧模型、微型燃烧管内网格的划分及其边界条件的设置等方面进行了详细的数值模拟。模拟结果与实验结果的对比表明,当混合气流量为1200mL/m in(下同)、氢氧混合比ε=2时,管壁温度分布最高,其均值可以达到1100K,能满足微型TPV系统的要求。

微型燃烧器预混腔内催化重整、积碳及流动特性模拟

因微型燃烧器内微尺度燃烧易熄火、燃烧效率不高,存在催化重整过程中的积碳、微尺度等问题,可利用甲烷和湿空气中水蒸汽预混催化重整产氢来强化燃烧,对预混腔内催化重整、积碳及流动特性进行模拟,探讨了微型预混腔中甲烷、水蒸汽重整过程中水碳比、质量流量和催化壁面温度对催化重整、积碳、流动等的影响。

微型燃烧器内甲烷预混催化燃烧的数值研究

微尺度燃烧存在热量损失大、易熄火、燃烧不完全、转化效率不高等问题,因此对微型燃烧器内甲烷的燃烧采取预混催化燃烧方式来提高燃烧的稳定性和转化效率,为微型发动机碳氢燃料燃烧技术奠定基础。采用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧器微流道内的催化燃烧、流动和传热进行了三维数值模拟。结果表明,甲烷质量流量和过量空气系数对催化转化效率有一定影响,壁面温度是影响催化转化效率的主要因素。甲烷质量流量、壁面温度与最佳过量空气系数之间具有一定的变化关系。可根据催化温度选择富燃料或富氧燃烧方式来提高微尺度催化转化效率。恒壁温边界条件下,催化燃烧主要发生在燃烧腔的下壁面。

厘米级微型蒸发管式燃烧室性能实验研究

为了了解和掌握厘米级蒸发管式微型燃烧室性能,并为以后的设计提供技术数据,设计了微型燃烧室实验和测试系统,在常温常压下开展了微型燃烧室性能实验,获得了微型燃烧室的阻力特性、贫油熄火特性、燃烧效率、比容热强度和出口温度分布等数据.

催化壁面对微型燃烧腔内甲烷燃烧影响的数值模拟

为研究不同催化壁面对燃烧的影响,采用甲烷和空气预混催化燃烧方式,运用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧腔内不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响进行了三维数值模拟。结果表明,壁面温度、甲烷与氧气摩尔比和甲烷质量流量变化时,下催化壁面对甲烷催化燃烧效率影响最大,侧面次之,上催化壁面最小。下催化壁面单位面积催化燃烧效率约是上催化壁面的3倍,其催化剂利用率也最高。涂敷催化剂时,下底面应适当多涂,侧面适量,上底面尽量少涂。得到了不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响规律和贡献率,提出了涂覆催化剂的优化策略,降低催化燃烧成本。

超微型燃烧器的研究现状及进展

介绍了超微型燃气轮机中微型燃烧器的研究现状 ,分析了由于尺度缩小 ,超微燃烧器面临的一些问题 ,并提供了解决这些问题的方法。在此基础之上提出了目前超微燃烧器亟待解决的几个问题以及可能的发展方向。

一种拓宽微型单管燃烧室流量范围的调节装置

为了能够拓宽微型单管燃烧室稳定燃烧的流量范围,设计了一种调节装置.利用CFD软件Fluent对微型单管燃烧室的内部冷态流场进行数值模拟,得到微型单管燃烧室主要结构参数对内部流场形态的影响规律并确定了其主要结构参数.通过冷态数值模拟,得到了调节装置对微型单管燃烧室内部流场的调节作用;通过试验研究,证明所设计的调节装置能够实现对单管燃烧室的稳定燃烧流量进行调节,从而扩大了该燃烧室的稳定燃烧流量范围.

微型热光电系统中分层多孔介质燃烧特性

采用多孔介质燃烧技术的微型燃烧器能明显改善燃烧过程,影响多孔介质燃烧的因素主要体现在孔隙率的变化上。通过试验分析了微型燃烧器内多孔介质燃烧的燃烧状态,探讨了分层多孔介质对微型燃烧器外壁面温度的影响,为微型燃烧器内部填充变孔隙率的多孔介质的应用提供了试验支持。

基于MEMS技术的微型燃烧器的特性分析与设计

为了改善微型燃烧器内的燃烧性能,分析了微型燃烧器燃烧时存在的主要问题,并提出了相应的燃烧策略。根据微型燃烧器的特点,采用旋流预混、增设预混通道、燃气出口通道和简化管道接气装置等方法对微型燃烧器的结构进行改进设计。改进后,可延长燃料与空气在预混腔的预混时间,增强预混效果;充分利用燃气热量,提高预混气体的初温,减少微型燃烧器散热,利于燃气着火。延长燃气在燃烧室内的燃烧时间,并增强气流扰动。管道接气装置可简化气源管道连接问题,管道间距的加大也使其安装连接更为方便,气密性的保证也相对更容易。为下一步开展微型燃烧器内气体预混催化重整燃烧等实验研究打下了基础。

微型燃烧室蒸发管燃油雾化和蒸发特性数值研究

为了探究微型燃烧室内蒸发管各参数变化对燃油雾化和蒸发效果的影响,对微型燃烧室蒸发管内的燃油流动、雾化、蒸发过程进行了数值模拟,并分析了燃油喷射方向、蒸发管直径及来流空气温度对蒸发管内部燃油雾化特性的影响。结果表明:与其他喷射方向相比,逆向喷射时燃油雾化蒸发效果最佳;随着蒸发管直径的减小,燃油液滴的雾化效果及蒸发率有很大提高;来流空气温度越高,燃油蒸发率越高。

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。

微型燃气轮机富氧燃烧室数值及试验研究

研究了一种采用烟气循环富氧燃烧的微型燃气轮机燃烧室.由燃烧稳定、总压恢复系数、出口温度场等几个方面确定燃烧室基本的几何尺寸,在空气以及氧气体积分数30%的O2/CO2工况下,利用CFD软件和试验对设计燃烧室的热态流场、燃烧效率、压力损失等性能进行了对比研究.结果表明,在富氧燃烧条件下,设计的燃烧室流场合理,燃烧稳定、效率高,压力损失小,基本上达到了设计要求;在空气工况下,会出现燃烧效率低、出口温度过高、不均匀系数过高等问题.

内置错列挡板式微型燃烧器的工作特性

为提高微型热光电系统的输出性能,本文设计了一种内置错列挡板的平板式微型燃烧器,并通过构建的三维计算模型,研究了其工作过程的基本特征以及挡板间距和位置等结构参数的影响。研究结果表明:直通道内部设置挡板后,得益于换热效果的增强,辐射壁面的温度值和均匀性都有一定程度的提升;在2~5 mm的挡板间距范围内,每缩小1 mm,壁面温度约能提高17 K;挡板初始设置点则对壁面高温区域的分布形态和均匀性有直接影响,在4 mm时燃烧器工作效果最佳。

微型多孔介质燃烧器内非预混合成气燃烧特性研究

微型燃烧器是微型热光电系统(micro-thermophotovoltaic,MTPV)的重要组成部分,其外壁温度的高低及均匀性对MTPV系统的能源转换效率有重要影响。本研究提出了一种新型微型多孔介质燃烧器,该燃烧器通过在微型燃烧器内设置多孔介质来增强热量的传递,使更多的热量实现了有效循环,从而提高了燃烧器的换热性能;应用数值模拟方法研究了微型多孔介质燃烧器内H 2-CO-CH 4非预混合成气的燃烧特性,分析了多孔介质、燃料质量流量、当量比及外部环境对燃烧器外壁温度、中心温度及火焰位置的影响。研究结果表明:与自由火焰微型燃烧器相比,微型多孔介质燃烧器具有更高的外壁温度和更低的火焰温度;在当量比为1时,微型多孔介质燃烧器具有最高的外壁温度;外壁温度与对流传热系数之间呈线性变化规律。

微型燃烧器内掺氢甲烷燃烧特性的数值模拟

为改善甲烷在平板式微型燃烧器内的燃烧特性,对掺氢甲烷的预混合燃烧过程进行二维数值模拟,研究不同掺氢比及不同通道高度下混合燃料的燃烧规律。结果表明,在当量比为0.8的条件下,氢气的掺入具有稳定火焰和提高混合燃料可燃流速的作用;在掺氢比为5%~25%的范围内,随着掺氢比的增大,火焰锋面逐渐前移,掺氢比每增加5%,火焰最高温度平均可升高101 K;反应中OH的摩尔分数将随氢气的增多而升高,但CO2的摩尔分数随掺氢比的增大反而减少,CO2生成率呈现先缓慢升高后急剧下降的趋势。此外,氢气的加入很好地解决了甲烷难以在小于2.5 mm的通道高度内燃烧的缺陷,通道高度从3 mm递减到1 mm,相应的CO2生成率逐渐减少;通道高度为4 mm时,火焰中心温度达到最大的2 260 K,其出口处的CO2摩尔分数低于另外三组通道高度的值。

基于硅材料的微型气体涡轮机中微型燃烧器的设计和加工(英文)

由微型燃烧器、微型压缩机和涡轮组成的微型气体涡轮发动机有望成为微机电系统的能源系统,阐述了一种微型燃烧器的设计和加工,设计时力图增加流路的长度,其目的是减少微型燃烧腔的热损失和有效地对燃料和空气进行预热,该微型燃烧器由7片厚度不同的单晶硅片组成,通过ICP DRIE干刻蚀加工而成.组装后的微燃烧器的样件尺寸为21.5 mm×21.5 mm×4.4 mm,已成功地进行了氢气燃烧实验和测试.该微型燃烧器和转子组合后可以应用于微型气体涡轮发动机,与压电元件组合后可用于微型发电机。

微型热光电系统燃烧器结构对燃烧过程的影响

强化微燃烧器内部燃烧过程,对提高微型热光电系统能量输出和实现较低排放有重要的意义,为实现这一目的,本文进行了不同结构尺寸的微燃烧器的燃烧试验。研究结果表明:改变微燃烧器形状,能够改善燃烧器内部燃烧反应过程,从而提高微型燃烧器的外壁面温度和辐射强度,并且能够降低排放;在试验的燃烧器结构中,平板1型具有较高壁面平均温度和较低的CO、HC排放。

微型燃烧炉燃烧过程的数值模拟与实验研究

对一种微型燃烧反应炉进行了燃烧、炉内流体流动及换热特性的实验和数值模拟研究,确定了微型燃烧炉自然通风时的过量空气系数,以及不同燃料供应量时候炉内温度、受热面温度和热效率。微型燃烧炉的热效率在65%~75%之间,燃烧完全,自吸式通风时过量空气系数在2~2.25之间,受热面温度达到400~800℃,达到斯特林发动机热端温度要求。这些数据对国产微型燃烧炉提供了理论和数据支持,有助于填补我国微型燃烧炉技术的空白。