MTPV系统中热光电能量转换的数值分析

为研究微热光电系统中辐射表面和光电池表面间的能量传输特性,构建了能量转换的物理数学模型。模型中辐射表面采用矩形结构的碳化硅片,光电池选择锑化镓,并考虑辐射表面温度分布的不均匀性和空间辐射角系数。通过改变辐射器表面温度分布、光电池温度以及两者之间的距离等参数,计算各种情况下的电池效率和功率密度,分析这些参数对它们的影响规律,得出如下结论:间距增大,可显著降低功率输出,但对电池效率影响不大,距离每增加1mm,电池效率仅减小0.24%;电池温度升高,电池效率和功率密度均呈现出线性关系逐渐递减;混合气流量从600mL/min提高至1800mL/min,功率密度可提高216.7mW/cm2。

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TPV系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

为优化燃烧室的设计,提高微热光电系统的整体效率和工作性能,建立了颗粒填充型多孔介质燃烧室.通过试验验证,应用Fluent软件对多孔介质结构的微燃烧室进行数值模拟,分析孔隙率、氢氧体积混合比和流量比等因素对燃烧室性能的影响.模拟结果表明,采用多孔介质结构可以改善燃烧室的燃烧性能,燃烧室在多孔介质孔隙率为0.52,氢氧体积混合比为2∶1,入口流量为200mL/min时燃烧效率较高,有利于微热光电系统稳定高效地工作.

微热光电系统带双环形翅片燃烧室的数值模拟

由于能量密度的极大优势,应用燃烧释放碳氢燃料的化学能并转化为电能或者机械能的微动力系统有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。微热光电系统是其中的一种,而微燃烧室是该系统的核心部件。在实验验证的基础上,对带有双环形翅片燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟。结果表明,双环形翅片能增强微燃烧室内混合气体的湍流扰动,改善燃烧状况,有效地提高燃烧效率。

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。

燃烧室结构对微热光电系统能量转换的影响分析

针对微热光电系统,设计了4种结构的平行板燃烧室,在考虑辐射表面温度分布的不均匀性和空间辐射角系数的前提下,构建了系统能量转换模型并编制了相应的计算程序。通过计算得出不同结构的平行板燃烧室对系统能量转换的影响,重点分析了喷口形状、多孔介质、催化剂的使用等条件改变时辐射外壁面的温度分布、辐射能光谱分布、各子环节效率和系统整体电能输出。结果表明:在微燃烧室中,多孔介质的填充、扩展型喷口的开设、催化剂的使用均能提高其外壁面的平均温度,同时也能改变温度分布特别是最高温度区域的位置,这也导致单色辐射力和有效辐射能均依次增加;基于3种改进结构燃烧室的系统在能量转换的各方面均优于采用圆形喷口直通道燃烧室的系统,其中扩展型喷口内部催化结构的燃烧室在相同燃料输入时能使系统整体效率提高56.6%,功率密度达到0.87W/cm3.

多孔介质对微热光电系统燃烧室性能的影响

微燃烧室获得高且均匀的壁面温度分布对于微热光电系统是非常有利的.将多孔介质引入微燃烧室中进行燃烧试验,得到了有无多孔介质两种情况下不同混合气流量、不同氢氧体积比的燃烧状况及壁面温度分布.多孔介质具有较强的吸热及蓄热能力,能有效地改善传热过程,改变壁面温度分布.对于特定的燃烧室,当氢氧体积比为1.5∶1、混合气流量为1.83×10-5m3/s时,所得到的壁面温度分布基本满足微热光电系统的要求.

微热光电系统整体性能的试验研究

在设计和加工模块式微热光电系统关键部件的基础上,进行了系统的整体性能试验,包括流量、喷嘴形状和燃料对其性能的影响。试验结果表明:气体流量增加,燃烧室壁面温度升高,光电池的输出电量升高;相比圆形喷嘴,使用矩形喷嘴能改善预混合气在燃烧室内的分布,提高燃烧驻留时间,使燃烧更充分,增大光电池的电能输出;相同体积流量下,高热值的甲烷燃料比氢气燃料更能提高微热光电系统的性能。试验条件下较好的性能输出数据如下:当采用矩形喷嘴和甲烷燃料时,最大输出功率为0.319W,相应的能量密度达到166146W/m3;两种燃料最大整体效率都是在流量600mL.min-1时,且采用氢气燃料整体效率比甲烷的高,其最大效率为0.249%。

微尺度下氢氧预混合气催化燃烧的研究

基于空间气相和表面催化的详细化学反应机理,应用计算流体动力学软件对亚毫米燃烧器内的氢氧预混合燃烧进行模拟,在对催化燃烧模型进行试验验证的基础上,讨论不同反应模型的燃烧特性以及壁面材料和进口流速等对催化燃烧反应的影响。模拟结果显示,表面催化反应会使壁面相邻位置空间气体内的OH质量分数降低,对该催化壁面临近区域的气相反应有所抑制;壁面催化反应与空间气相反应耦合进行时,燃烧效率可达到最大值;进口速度对出口排气温度的影响要大于对外壁面最高温度的影响,进口速度过高会导致燃烧效率降低;燃烧器材料的选择也对催化燃烧有着重要的影响,采用热导率较小的材料时,燃烧器壁面存在较高的温度梯度,燃烧器外壁面温度也较高,而采用热导率较大的材料时,壁面对进口端的气体预热作用增强,高温燃烧区域向入口端移动。

亚毫米通道内的氢氧预混合燃烧

在亚毫米尺度,尺寸效应带来散热损失的激增和燃烧驻留时间的急剧减少,使燃烧室内预混合气的着火和燃烧条件恶化.针对碳化硅材质的亚毫米矩形燃烧室,改变混合气的流量和当量比,测出了不同高度燃烧室内氢氧预混合气的着火界限分布,并通过燃烧室外壁面和出口温度的测量,分析得出亚毫米通道内氢氧预混合燃烧的特性.结果表明,亚毫米尺寸与常规尺寸相比氢氧预混合气的稀燃界限明显升高,但仍能在一定条件下实现稳定燃烧;测试条件下,外壁面温度随氢气流量的增加而升高,但燃烧的充分性降低;少量的过量氧气能提高外壁面的温度,并使温度分布更均匀;由于导热系数较高,碳化硅材质的燃烧室外壁面温度分布比石英材质的要更均匀.

进气相位对天然气转子发动机流场和燃烧过程的影响

转子发动机进气相位的改变不仅改变了进气效率,而且对缸内流场以及燃烧过程都产生很大的影响。基于FLUENT软件,通过编程实现了相应的三维动网格模型,添加了合适的湍流模型、燃烧模型、CHEMKIN化学反应机理,建立了基于化学反应动力学的三维动态数值模拟模型,并通过已有实验数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上,对不同进气相位的周边进气天然气转子发动机的工作过程进行了数值模拟。计算结果表明:在进气持续期不变的情况下,随着进气开启角的提前,缸内涡团和旋流的强度、充量系数都不断增加,点火位置处的流场湍流度不断增加。火花塞点火后其附近的流场湍流度增加可以大幅度提高燃烧速率,但燃烧行程的整体燃烧速率不是一直随着进气开启角的提前而增大。相同进气持续期下,进气开启角为407°时,火焰传播速度最大,缸内示功图最好,同时NO生成量也最大。

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。

亚毫米平行板通道内燃烧过程的数值模拟

微动力系统是动力机械具有里程碑意义的发展。由于能量密度的极大优势,应用燃烧释放碳氢燃料的化学能转化为电能或者机械能的微动力系统有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。微燃烧室是该类微系统的核心,本实验建立了1mm以下尺寸的平行板微燃烧室内的流动、传热和燃烧模型,在实验验证的基础上,用CFD软件进行了数值模拟,获得了亚毫米平行板通道高度、混合气流量和比率等参数对内部燃烧情况及壁面温度的影响规律。

微型火焰管中燃烧的研究

提出了一种新型的微动力机电系统观念,即微型热光电 TPV(thermo photovoltaic)系统。微型燃烧室是微型TPV系统中最重要的部分之一。为了获得较高的能量转换效率,需要使燃烧器壁面四周处于较高且分布均匀的温度状态。尺寸效应对微型燃烧室中的持续燃烧带来了很大的影响。为了分析微型燃烧器中燃烧的可行性和有关影响因素,在不同工况下进行实验。结果表明,在一定的流量和混合比范围内,可以在微型火焰管内维持稳定的燃烧,高温能够在燃烧室四周均匀分布。