甲烷/空气预混回热循环微多孔燃烧数值分析

在热循环型微燃烧器中充入甲烷/空气预混合气体进行燃烧数值模拟,探究该类型燃烧器在加入多孔介质条件下,对燃烧效率和预混气体预热效应的影响。文中采用数值模拟并使用甲烷/空气二阶反应,对比燃烧器在没有加入泡沫陶瓷多孔介质的条件下,在某次反应过程中对微燃烧器的影响,同时还发现多孔介质可以明显地使燃烧器提高燃烧效率,减小热损失,减少污染尾气,而且能更好地回收反应产生的热量并预热未反应气体。     

多孔介质中预混式燃烧的数值研究

本文考虑向燃烧室中插入高孔隙率的多孔介质的燃烧过程,根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气体在惰性多孔介质中预混燃烧的一维数学模型,模拟了不同条件下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布及气体流速、当量比和吸收系数对燃烧室气体温度峰值的影响.结果表明,多孔介质的存在明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,加速了燃烧反应的进行,燃烧室利用率提高.     

多孔介质微小燃烧器的传热特性分析

采用计算流体力学软件Fluent,对H_2/空气预混气在全填充多孔介质平板微燃烧器内的燃烧过程进行数值模拟.研究了多孔介质导热系数、壁面导热系数、当量比、孔隙率对微燃烧器回热循环的影响规律.模拟结果表明:预热区对流回热效率、多孔介质导热效率与多孔介质导热系数呈正相关趋势;壁面导热系数增大会使预热区对流回热效率下降,壁面对流回热效率上升;预热区对流回热效率、壁面对流回热效率与当量比呈负相关趋势;多孔介质孔隙率是影响回热效率的重要因素,随着孔隙率的增大,预热区对流回热效率下降,壁面对流回热效率上升.     

甲烷在过量焓燃烧器内的燃烧特性

设计了一个通道截面为7 mm x0.6 mm的等速螺线过量焓微燃烧器,并在其中完成了CH4/空气预混气的燃烧实验.通过数据采集系统得到了微燃烧器端面的温度分布,使用气相色谱法分析了烟气成分.实验结果表明,过量焓燃烧器能够通过逆流换热有效地实现热量回收,提高可燃预混气进入燃烧区前的温度,有利于微尺度火焰的稳定,并在较宽的空气过量系数范围内实现甲烷/空气预混气在燃烧器的中心稳定燃烧.当空气过量系数大于1时,甲烷可以实现完全燃烧;当空气过量系数小于1时,烟气中存在H2和CO,但无残留的甲烷.     

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.     

掺氢对微尺度空间内预混层流火焰转捩爆燃特性的影响

针对基于燃烧的微小型动力装置存在燃烧效率低、火焰传播速度慢的问题,设计了一个可视化的、特征间距仅为0.45 mm的微尺度定容燃烧室,实验比较了0~1的掺氢比例下,丙烷/氢气/空气预混火焰在该燃烧室内的传播以及加速过程.实验发现没有掺氢时,丙烷/空气预混火焰需要在0.25 MPa初始压力下才能够传播;当掺氢比例为0.2时,火焰在传播过程中会发生从缓燃到爆燃的转变,这种燃烧模态的转变可以大幅缩短燃烧室内火焰传播时间,极大提升火焰传播速度.实验还发现掺氢比例以及初始压力的提升均能使得微尺度火焰传播速度提升.     

微管内氢气燃烧变参数研究

针对微尺度燃烧的特点,在传热分析的基础上,建立了微型管内氢-空气预混合气的燃烧模型,对0.2 mm微管内氢气空气预混燃烧进行了变参数研究.结果表明:对于0.2 mm微管,适当的氢氧混合比,火焰可以实现稳定持续燃烧;燃烧室尺度越小,散热量越大,最大可达到总放热量的22%左右;当量比接近0.8时,有最高燃烧温度和最高的氢气转化率,接近100%;入口应该控制在较小流速来实现较高的燃烧效率.     

多孔介质特性参数对燃烧温度及压力影响的数值模拟研究

考查了两段式多孔介质内预混气燃烧的温度与压力分布情况。建立了甲烷／空气预混气体在多孔介质内燃烧的二维数学模型,运用FLUENT软件求解瞬态控制方程的方法计算出燃烧稳定后多孔介质内的温度、与压力分布,并考查了不同当量比、多孔介质辐射衰减系数和导热系数对温度和压力分布的影响。结果表明,甲烷／空气预混气体在多孔介质中燃烧,当量比越大温度峰值越高,压力梯度越大;小孔介质辐射衰减系数的改变对温度分布和压力分布没有明显的影响,而大孔介质辐射衰减系数对温度分布和压力分布有较大的影响;增加多孔介质的导热系数,会使固相与气相温度均有所升高,燃烧区域压力降低。     

多孔介质燃烧器的辐射输出效率和污染物

使用双温度体积平均模型、详细化学反应机理GRI3．0，对甲烷，空气预混气在多孔介质燃烧器内的预混火焰进行模拟．分析不同当量比和质量流量下的预热效率、辐射输出效率以及污染物排放情况，并对辐射输出效率随多孔介质热物性参数的变化进行敏感性分析．结果表明，增大相间对流换热系数或减小当量比、质量流量及固相消光系数都可以提高辐射输出效率，减小当量比或质量流量可以减少污染物排放．在所有的影响因素中，当量比的影响最大，发展超贫燃燃烧技术是获得高效低污染多孔介质燃烧器的关键．     

多孔介质回热微燃烧器预混燃烧特性研究

设计了多孔介质回热徽燃烧器,对微燃烧器内H2/Ak的预混燃烧特性进行了实验研究和数值模拟,实验结果表明,当过量空气系数1.0＜α＜3.0时,微燃烧器具有较高的燃烧效率,出口烟气温度和较低的燃烧热损失率,且燃烧热功率P越高,α越大,热损失率越小.当P=100 W时,其出口烟气温度最高可达到1 232 K,当α=3.0时,燃烧效率仍达到96.85％,而热损失率仅为14.87％.数值模拟结果表明,由于采用了回热夹层和多孔介质回热结构,有效地回收了热量损失,使得微燃烧器具有良好的热性能.证明设计的多孔介质回热微燃烧器是一种燃烧效率高、热损失率低的微燃烧器.