微燃烧涡轮发动机微燃烧室催化氢燃烧模拟分析

为揭示微燃烧室催化氢燃烧机理,根据质量守恒、动量守恒、组分守恒和能量守恒的基本规律建立微燃烧涡轮发动机微燃烧室催化氢燃烧数学模型,并耦合表面催化详细化学反应机理对不同过量空气系数n下微燃烧涡轮发动机微燃烧室燃烧进行模拟与分析。研究结果表明:混合气体在微燃烧室的入口角度和入口速度对微燃烧室出口烟气温度无明显影响;当n<1.0时,出口烟气温度升高,燃烧室压强增加;当n≈1.0时,出口烟气温度最高,燃烧室压强达最大值;当n>1.0时,出口烟气温度降低,燃烧室压强减小;当n<1.0时,n的增加对水蒸气质量分数增加影响较大;当1.0≤n≤2.9时,n增加会导致氧气质量分数和氮气质量分数均呈递增趋势,而水蒸气质量分数却呈递减趋势;当2.9<n≤4.3时,n对氧气、氮气和水蒸气的质量分数影响不大。

微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究

为了研究微尺度下的燃烧特性,在考虑散热和熄火距离影响的基础上建立了二维火焰燃烧模型,模型表明在微尺度燃烧中容易发生熄火和吹熄,不容易发生回火.同时在2 mm内径的微细T型管道中通入了氢气和空气的预混气体进行预混燃烧实验,测试了燃烧的火焰温度、流量和燃烧效率的关系.实验结果表明,采用T型管道有利于维持火焰的稳定,不容易被吹熄,但在氢气或空气流量小时容易发生熄火;低流速下,燃烧效率较高,可以完全反应,高流速下,混合气来不及在管道内反应,燃烧效率较低.无论流速的高低,在化学计量比附近燃烧效率较高.

微燃烧发动机应用于微型飞行器的性能分析

阐述了目前微燃烧发动机的研究进展．以现有的材料和加工技术,微燃烧发动机的实现是完全可行的．对比评价了微燃烧发动机和锂电池两种微型飞行器动力源的航程、续航时间和飞行机动性等性能．结果表明,采用微燃烧发动机的飞行器航程最高可达到相同条件下普通锂电池飞行器的29．5倍,续航时间可达到普通锂电池飞行器的39倍,并且微燃烧发动机能大大提高飞行器的飞行机动性．

燃料气体预热温度对微燃烧器性能影响的分析

燃料在直圆管形状的微尺度燃烧器中进行预热燃烧,对比不同预热温度下的燃烧器工作性能,检验强化预热对促进微燃烧稳定的效果。实验选择燃料混合气体流量为0.12、0.24、0.36L/min,预热温度分别为室温23℃和250、500℃。实验结果显示,在室温,燃料混合气体流量0.12L/min下,燃烧器可燃极限当量比为0.339～3.639。预热温度上升到250℃时,可燃极限当量比范围增大到0.317～4.304。而预热温度500℃时,可燃极限当量比范围减小为0.453～1.706。在实验中测量燃烧器壁面温度,结合数值模拟研究内部燃烧过程。模拟结果显示,随预热温度上升,反应区域峰值温度上升。在流量0.24L/min,当量比为1,预热温度由室温上升至500℃时,峰值温度由1890K上升至2013K。实验结果证明适当预热可以提高反应温度,从而抑制热熄火。

新型低热损失微燃烧器原型的实验研究

试验研究了一种降低微燃烧器热损失的新方式,其原理是通过多孔壁面均匀进气来预热未燃混合气,同时降低壁面温度,从而有效降低燃烧器热损失。结果表明:采用燃烧器周向供给富燃料混合气,端面中心供给空气的组合进气方式,可以在微燃烧器内形成稳定的管状预混合火焰,火焰呈蓝色,燃烧稳定。当火焰温度达到1100℃以上时,燃烧器内壁的温度低于500℃,外壁面温度在150℃左右,微燃烧器的侧壁面热损失率约为6%,对于强化微燃烧器的火焰稳定性效果显著。

微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟

联合使用CFD软件、FLUENT和化学反应动力学软件DETCHEM对甲烷 -空气混合物在有逆流换热的微燃烧器内的催化燃烧进行了数值模拟。计算中只考虑了甲烷在催化表面上的反应。燃料 -空气混合物的当量比为 0 .4 ,燃烧器外壁面分别采用等温边界条件和与环境的对流换热边界条件 ,并比较了这两种边界条件对可燃混合气燃烧的影响。计算结果表明 ,催化燃烧可以实现常规方法无法实现的甲烷低温、高效转变。

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。

氢气/空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响

以美国麻省理工学院(MIT)研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象,采用考虑了基元反应动力学机理燃烧程序的二维计算流体动力学(CFD)数值分析方法,研究了在微尺度燃烧器入口处混合气体流量不变的情况下,改变氢气/空气当量比对微尺度燃烧器燃烧特性的影响。整个模拟计算主要包括混合气体的流动路径、微燃烧器的内部区域以及整个燃烧器的墙壁面;计算过程中考虑了氢气/空气的流体动力学特性、传热学特性和详细的基元反应机理。计算结果显示,当氢气/空气当量比为0.4时,燃烧器发生熄火;当量比为0.5、0.6时,燃烧器内部能维持稳定燃烧;当量比为0.7时,燃烧器的微细通道内出现回燃现象。结果表明,利用二维CFD数值模拟的方法研究微尺度燃烧器燃烧特性是可行的。

平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统

提出了一种厘米级别的平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统原理,即燃料氧化剂混合气相向穿过两块平行布置烧结多孔平板并在其表面形成稳定的火焰,实现燃烧器壁面温度远低于火焰温度的目的;进行燃烧器和微发电系统原型性能实验.在燃烧器烟气通道外壁面布置高导热系数薄匀热片能够有效改善热电模块热端温度场均匀性,从而提高系统安全性和输出性能.在燃烧燃料当量比(甲烷/空气)φ=0.6时,火焰温度高于800℃,壁面温度低于200℃,水冷条件下,商用碲化铋(Bi2Te3)热电模块热端150℃,系统可以获得8 V开路电压和1 W以上稳定输出功率,系统综合效率达1.6%.

壁面渗透燃烧微燃烧器结构参数优化实验研究

针对一种圆柱多孔壁面组织渗透燃烧微尺度燃烧器,本文在甲烷/空气不同燃料当量比和混合气流量下,对比实验了关键参数燃烧室内径(d)和燃烧室高度(h)变化对燃烧器性能的影响。结果表明随燃烧室内径减小,吹熄极限速度显著下降,烟气平均温度升高,同时壁面温度下降;燃烧室高度减小,可燃烧极限当量比和淬熄极限速度均增大;在高径比h/d接近1时,烟气平均温度最高,壁面最高温度不变,大流量下壁面温度降低更快。因此,当缩小壁面渗透微燃烧器时,为防止燃烧效率降低和热损失增加,应优先缩小内径并保持高径比接近1.0。

微纤包结细粒子结构化微燃烧器的催化燃烧性能

具有三维微米孔道的烧结Ni微纤包结Pt/Al2O3细粒子催化剂复合材料结构化于毫米尺度流道中的微催化燃烧器,可以作为微型吸热反应的热量来源。考察了操作条件及Pt负载量对微燃烧器中氢气/空气催化燃烧性能的影响,并对催化剂进行了表征。结果表明处于爆炸极限内的氢气催化燃烧反应可以在微燃烧器中安全进行,过高Pt负载量会降低催化燃烧性能。在反应温度83℃,体积空速2.0×105h-1,氢气入口摩尔分数28.5%,负载5%质量分数Pt的条件下,氢气转化率高达92.2%。

虚拟装配技术在硅基微燃烧室结构设计中的应用

在分析目前常用的燃烧室计算流体动力学(CFD)几何建模方法的基础上,以美国麻省理工学院(MIT)研制的微型涡轮发动机的六晶片燃烧室为研究对象,利用虚拟装配技术原理,基于三维建模软件SolidWorks平台,构建了该发动机的微燃烧室结构。结果表明,利用机械虚拟装配技术构造该发动机微燃烧室结构的方法可行,优于目前该领域使用的几何建模方法,可降低Power MEMS产品的成本,推动Power MEMS的产业化。

甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟

本文联合使用CFD软件FLUENT和化学反应动力学软件DETCHEM对甲烷-空气混合物在有逆流换热的微燃烧器内的催化燃烧进行了数值模拟。计算中只考虑了甲烷在催化表面上的反应。燃料-空气混合物的当量比为0.4,燃烧器外壁面与环境采用对流换热边界条件。计算结果表明,同时采用逆流换热和表面催化燃烧可以实现常规方法无法实现的甲烷稳定、高效转变。

进气方式对回热型微燃烧器燃烧特性的影响

设计了具有“C”型燃烧室结构的回热型微燃烧器,进行了不同进气方式下的微燃烧实验研究．发现分别进气时燃烧运行界限明显高于预混进气时的运行界限,过量空气系数最高达到7．8．微燃烧器的燃烧效率均较高,预混进气时燃烧效率可达到1,但分别进气时则不能实现完全燃烧．实验发现,分别进气时燃烧器的壁面温度、热损失和出口尾气温度在过量空气系数为1．5左右达到最高,而预混进气时过量空气系数为1时达到最高,且出口尾气温度明显高于非回热型微燃烧器．分析表明,不同的进气方式导致不同的气体混合程度,从而影响了微燃烧器的燃烧性能．由于采用特殊的“C”型燃烧室结构和回热夹层,延长了反应气体在微燃烧室内的停留时间,提高了反应气体的热焓和燃烧反应速度,从而提高了微燃烧效率和出口尾气温度．实验结果为微燃烧/透平发动机的设计提供了科学依据．

微燃烧室内截面突变对氢氧预混燃烧的影响

针对微燃烧室内部氢氧预混燃烧过程,建立耦合氢氧气相反应动力学机理的数值计算模型,利用CFD计算软件,在试验验证的基础上得到了带截面突变微燃烧室内的燃烧特性,并分析了截面突变尺寸和入口流速对于燃烧过程的影响.结果表明:采用截面突变的结构使得氢气和氧气混合更充分,燃烧更完全,并能提高微燃烧室内的流体温度;增加截面突变的尺寸,可以增加混合气在微燃烧室内的驻留时间,即使在较低入口流速下也能获得较高的燃烧室内部温度;在较低流速下,增加截面突变的尺寸,微燃烧室内的高温区域更宽;入口流速的增加导致氢气转化率降低,燃烧室内截面突变有利于缓解入口流速增加引起的氢气转化率下降的趋势.

运行参数对微型内燃机微燃烧特性影响机理分析

微型内燃机微燃烧过程对当量比和转速变化非常敏感,采用层流有限速率模型和甲醇氧化反应机理对其预混层流微燃烧过程开展仿真研究,探讨当量比和转速对微燃烧特性的影响规律及临界运行参数。在此基础上,提出采用热着火理论和化学反应动力学理论探索当量比对微燃烧特性的影响机理。结果表明仿真与实验比较吻合。当量比从0.6增加到1.1时,燃烧速率增加,压力和温度增加,压力最高值增加约1.5E+6Pa,温度最大值增加约1 300K,此后随当量比增加,燃烧速率减小,压力和温度减小。研究还进一步揭示了当量比影响微燃烧特性的机理:稀燃区当量比主要通过温度变化来影响微燃烧特性,随当量比增加,燃料浓度增加,燃烧释放的总热量增加,所以温度和压力增加,燃烧速率增加;浓燃区当量比主要通过氧气量变化来影响微燃烧特性,当量比越大,氧气量越不足,基元反应速率越小,所以燃烧速率越小,温度和压力越低。转速越高,燃烧时间越短,燃烧越不充分,所以温度、压力越低。受微燃烧相对热损大、驻留时间短的特征影响,微型发动机实现完全燃烧的运行区域较窄,其实现完全燃烧的稀燃极限约0.9,最高转速约6 000r/min。这在设计微型内燃机时值得关注。

微燃烧室内纳米铝粉的激光点火及燃烧特性

实验研究纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧现象,结合纳米铝氧化理论、颗粒间烧结模型,提出纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧模式。在微燃烧室内常温常压静止空气流中,纳米铝粉的最低激光点火功率低于13.0 m W(功率密度为1.49×10~9W/m^2),点火延迟时间在μs量级。当点火功率密度相同时,点火延迟时间受圆形度、等效粒径和堆积密度等综合因素影响。纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧过程包括燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄。纳米铝粉被激光预热、铝核升温熔化导致核壳破裂引起异相着火,破裂过程中可能发生微爆炸。着火后,在自然对流作用下,纳米铝粉发生扩散燃烧,燃烧火焰的锋面、亮度出现振荡,燃烧处于不稳定状态。微尺度下纳米铝粉燃烧存在弱火焰形式,最终发生淬熄。

缸径对微型内燃机微燃烧性能影响和极小化分析

为研究缸径对微型内燃机微燃烧特性的影响机理及探索实现燃烧的临界缸径,采用层流有限速率模型和甲醇燃烧化学反应机理及动态网格技术,对其闭口热力系的瞬态预混层流燃烧过程进行动态多维仿真。并运用微观化学反应机理对不同缸径和压缩比时的微型内燃机燃烧和排放性能进行分析。研究结果表明:仿真与试验结果比较吻合,当缸径从10.8mm减至3.38mm时,缸内平均温度和压力及NO、CO、CH_2O排放浓度呈先增大后减小的趋势,最高压力值增加了约1.5MPa。在文中参数下,实现燃气完全燃烧的临界缸径约为4.5mm,完全不燃烧的缸径约为3.38mm。通过进一步分析,揭示了缸径对燃烧性能的影响主要取决于缸内未燃低温燃气总量和对环境散热量占燃烧释放总热量比值两个因素。分析还表明,随着缸径变化,缸内自由活性基团浓度和基元反应速率都将变化,并影响整个燃烧过程。随着压缩比提高,缸内温度和压力及NO、CO和CH_2O排放浓度增大。

多孔介质微燃烧器预混燃烧的数值研究

开发了带有回热夹层的多孔介质微燃烧器,对其预混燃烧性能进行了数值模拟,研究了燃烧功率和过量空气系数对微燃烧器的出口尾气温度、燃烧效率、壁面温度和热损失率的影响.结果表明:在较宽的燃烧范围内,微燃烧器具有较高的燃烧效率和较低的热损失率,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,微燃烧器的外壁面温度和热损失率反而减小;多孔介质微燃烧器的最佳燃烧功率为200 W,最佳的过量空气系数范围为2.5<α<3.0.通过对其温度场的分析表明,由于采用了特殊的回热夹层和多孔介质板相向的进气方式,使得反应气体的流动方向与散热方向相反,反应气体在回热夹层和多孔介质中吸收了向外散热,提高了燃烧效率,有效降低了微燃烧器的热量损失;所设计的多孔介质微燃烧器是一种燃烧效率高、热损失率低的微型燃烧器.

多孔介质微燃烧器的试验研究

对微尺度下的氢气/空气预混气在多孔介质中进行预热燃烧时的燃烧特性进行了试验研究,在回热燃烧器中对不同ppi(每英寸长度上的孔洞数)的多孔介质进行对比试验,分别测试了氢气/空气预混气在预热下的燃烧效率与氢气流量、过量空气系数α以及多孔介质ppi之间的关系.结果表明,在多孔陶瓷的蓄热和混流作用下,燃烧速度和燃烧效率均得到了显著的提高,稳定燃烧界限也有一定的扩大.为进一步减小微尺度条件下的燃烧热量损失,提高燃烧效率,提供了试验依据.