微尺度甲烷扩散火焰特性的数值解析

以均匀空气流中圆管形成的甲烷扩散火焰为对象，用数值解析的方法研究了微尺度扩散火焰的火焰结构和燃烧特性．燃烧反应采用甲烷／空气一步总括反应，喷管壁面绝热．在Re一定的情况下，改变喷口尺寸和喷口流速，考察了微扩散火焰的结构和火焰熄灭的尺度效应．计算结果表明，Re=12条件下，喷口直径为0．07mm时达到熄灭极限；稳定燃烧区的最小总放热率约为0．5W；微尺度条件下，Da对火焰结构和火焰熄灭有显著影响，熄火附近的Da的数量级在0．01．     

微尺度乙醇扩散火焰特性的实验研究与数值解析

以大空间中圆形陶瓷微管形成的液体乙醇扩散火焰为研究对象.用实验和数值解析的方法研究了微尺度液体乙醇扩散火焰的火焰结构和温度分布.实验证明,在喷管尺寸相同条件下液体乙醇流量增大,火焰温度随之升高,火焰体积增大.通过数值解析观察了火焰和微管内温度场分布以及微管内热质传递现象.数值解析结果与实验一致.     

氢气微尺度催化燃烧的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及当量比Φ和预混合气体入口速度对催化燃烧反应的影响。计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;当量比Φ对氢气的催化燃烧过程有重要影响;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成3种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。     

微尺度甲烷扩散火焰及其熄灭特性

用不同直径微/小尺度圆管对甲烷在空气中的扩散燃烧进行实验研究,分析了微/小尺度火焰的结构,考察了影响火焰高度的相关因素,详细探讨了火焰的熄灭极限特点,并拟合了淬熄速度与喷管出口直径d之间的经验关系式.结果表明,火焰的高度与喷管出口速度呈线性关系,随d减小而减小;H/d(火焰高度/喷口直径)与出口处Re值成正比,与d无关;随尺度d的减少,下限(淬熄速度)增大,火焰的稳燃区间变小,稳定燃烧条件苛刻.     

氢气微尺度催化燃烧过程的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN,并运用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及表面催化反应对空间气相反应的影响。计算结果表明：OH浓度的高低可用来判断微型管道内是否发生表面催化反应。由于壁面的催化作用,空间气相反应发生的难度增加,即表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成三种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。     

氢气/空气预混合微尺度催化燃烧

通过耦合专用软件FLUENT和CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及预混合气体入口速度和管径对催化燃烧反应的影响.计算结果表明,表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;入口速度和管径对氢气的催化燃烧过程有重要的影响,在入口速度较小时,燃烧主要是空间气相化学反应,随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素,在入口速度较大时,燃烧主要是表面催化燃烧过程;随着管径的减小,微型管道内反应的最高温度降低.此结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据.     

氢气预混合微尺度催化燃烧的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及预混合气体入口速度、当量比Φ和管径对催化燃烧反应的影响。计算结果表明：表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;当量比Φ和管径对氢气的催化燃烧过程有重要的影响。     

微尺度催化燃烧器中扩散“火焰街”的数值模拟研究

针对三维Y型微通道内的非预混催化燃烧,选择GRI Mech 3.0气相反应机理与Deutschmann表面催化机理开展了数值模拟研究,分析铂催化剂涂覆位置、催化剂涂覆面积等因素对通道内特殊“火焰街”现象的影响。结果表明：通道内壁面涂覆一定面积的铂催化剂可以显著改善燃烧器性能,提升其甲烷转换率以及燃烧效率;相较于内壁面催化剂全涂覆或通道后段局部涂覆的情况,当催化剂仅涂覆于通道前段局部时,甲烷转化率与燃烧效率的提升幅度达到最大,分别为3.5%与7%。     

微型能源动力装置及微尺度燃烧研究

基于燃料燃烧的微型能源动力装置具有高能量密度特性,可提供瓦到百瓦级的能量输出,因此在过去的20年间受到广泛关注。国内外学者研制了微型的燃气轮机、内燃机、推进装置、燃烧器、热电转换装置及热光电转换系统等不同类型的能源动力装置。然而,由于微尺度条件下燃烧环境和常规尺度存在差异,材料、密封及润滑等方面的技术瓶颈,目前大部分微型能源动力装置的性能未能到达预期的目标。由于微尺度燃烧基础理论有别于传统的常规尺度燃烧理论,随着其重要性的凸显,国内外学者对其进行了广泛深入的研究,更加清晰地揭示了微尺度火焰及燃烧的基本特性。本文首先介绍了国内外微型能源动力装置及系统的研究进展,然后对微尺度条件下预混及非预混火焰的研究现状进行了总结,在本文的最后部分提出了微燃烧相关亟待解决的科学及工程问题。     

喷管内传递特性对微尺度扩散火焰的影响

对均匀空气流中微尺度甲烷扩散燃烧进行了数值模拟,重点考察微喷管内的流动和传热传质对微尺度燃烧特性的影响.结果表明,在低流速下,内径为0.3 mm的微喷管内进气速度为1.0 m/s时燃料与空气的混合已经发生,混合气被管外的热量预热,同时火焰的热损失增加.在喷管直径一定时,减小燃料喷出速度,传热传质现象对微尺度甲烷扩散火焰特性的影响增强;当进气速度为0.5 m/s时,甲烷在微喷管内开始燃烧,放出热量.在进行微尺度解析计算时,必须包含一定的喷管区域.     

大加速度场中层流扩散火焰流场的数值计算

通过对大加速度场中层流燃烧室流场的数值计算,建立了大加速度场中二维层流燃烧的数学模型,对控制方程组进行离散,采用SIMPLE算法和交错网格设计并调试程序。在调试成功的程序上对甲烷和空气在大加速度场中的扩散燃烧过程进行了数值模拟。计算结果表明,沿燃烧室轴线方向的均匀大加速度场会对扩散火焰的速度场和温度场等产生明显影响。一方面使得燃料与空气的扩散混合过程得到强化,扩散火焰的形状变短变粗,火焰面温度升高．因而能够提高其燃烧速度;另一方面,由于浮力作用驱动高温气流的流动方向与燃料射流的方向相反,将形成一种不稳定的流场结构,并同时诱发燃烧过程的不稳定。     

微型燃气轮机燃烧室性能的数值研究

针对Capstone公司的C30微型燃气轮机的燃烧室，采用κ—ε湍流模型、EBU—Ambenius湍流燃烧模型描述其燃烧流动，采用扩展Zeldivch机制描述HOx生成；应用分区结构化网格和SIMPLE算法求解控制方程，进行了三维燃烧流动的数值模拟研究，同时对燃烧室的整体性能进行了分析。通过数值计算及结果分析，着重研究了环型贫燃预混燃烧室的燃烧组织形式对燃烧室性能的影响，并探讨了流动控制板对燃烧室内燃烧流动和燃烧室出口HOx分布的影响。数值研究的主要目的是配合新型微型燃气轮机的研制，获得微型燃气轮机燃烧室的设计经验，为研制既有高燃烧效率和燃烧稳定性，又有低HOx排放特性的燃烧室奠定基础。     

不同类型微火源对复合燃烧作用机制的辨识

缸内喷射少量二甲醚(DME)形成微火源引燃汽油复合燃烧,可以拓展汽油稀释燃烧的界限,进一步提高发动机的经济性.基于三维计算流体动力学(CFD)结合化学反应动力学模拟,分析了不同微引燃燃料缸内分布作用下初始自燃点的产生机制,为集聚型和离散型微火源的类型判定提供辨识依据.结果表明:微火源的形成受到局部温度和DME浓度的共同...     

扩散过滤燃烧的数值模拟研究

通过二维双温模型,使用甲烷详细的化学反应机理,设计了甲烷与氧气扩散燃烧器模型,并与实验值进行对比验证了其有效性。分析了小球直径,燃料质量分数等对火焰高度的影响。结果表明:火焰高度随着入口流速和甲烷质量分数的增大而增大;随着小球直径、固体导热系数、分子扩散系数和质量弥散系数的增大而减小。与预混气体过滤燃烧相比,扩散过滤燃烧的反应区域的气体和固体的温度分布是不同的,二者之间的最大温差达到188 K。     

用二阶矩亚网格尺度燃烧模型对丙烷-空气旋流扩散燃烧的大涡模拟

用二阶矩(SOM)亚网格尺度燃烧模型对环缝进燃料的丙烷-空气旋流湍流扩散燃烧进行了大涡模拟(LES).模拟得到统计平均的热态3个方向的速度、湍流度、温度、丙烷、氧和CO2浓度分布,其值与实验数据符合很好.结果表明,二阶矩(SOM)亚网格尺度燃烧模型适用于大涡模拟.环缝进气使湍流脉动强度、各向异性程度和温度分布趋于均匀.     

大加速度场中二维层流燃烧过程的数值模拟

用SIMPILER方法，对大加速度场中的二维轴对称预混层流燃烧过程进行了数值模拟，分析了当加速度场方向与对称轴方向一致时，加速度场强度和进口流速等因素对燃烧过程的速度场、温度场及燃烧稳定性的影响。模拟燃烧为C3H8和空气，燃烧室壁面绝热。计算结果表明，在大加速度场中，火焰面附近的温度梯度所产生的“浮力”作用会显著改变流场结构和火焰面形状，直至流动和燃烧过程失去稳定性。     

平焰燃烧器间流场相互作用的数值研究

为了优化加热炉中多个平焰燃烧器间的燃烧性能,以两个平行平焰燃烧器为研究对象,采用修正的-湍流模型,遵循简单化学反应系统,采用的湍流燃烧模型为涡团耗散模型,使用计算流体力学软件对其流场进行模拟,分别从不同气流旋转方向,研究了不同燃烧器间距对速度、压力、温度分布的影响。分析表明:当气流反向旋转时燃烧器的间距(/)为11.43～15.24或当气流同向旋转时燃烧器的间距为15.24～19.05时,都能够显著提高炉内物体的加热质量。可为平焰燃烧器的工业应用提供一定的参考依据。     

文氏管对旋流流动影响的数值模拟

为了研究文氏管结构对燃烧室流场特性的影响,对单级轴向旋流器/文氏管结构进行了三维数值模拟.结果表明:随着文氏管扩张角度的增大,回流区径向扩张强度增强,回流区直径增大;文氏管扩张角度和收缩比的变化会使火焰筒回流区内出现双涡、三涡和四涡结构,前后排列的涡旋分别相当于主涡和次涡,这种三涡和四涡结构在燃烧室的点火燃烧方面具有较大发展潜力;中央回流区长度和回流速度会随着文氏管收缩比的增大而逐渐增大;三涡和四涡结构相比双涡结构更稳定,使燃烧室负荷调节范围更大,有助于燃烧室性能的提高.     

二冲程微摆发动机的三维数值模拟

介绍了二冲程微型摆动式发动机的主要结构和工作原理,运用CFD软件对发动机燃烧室进行三维建模,耦合既定的正弦摆动规律对燃烧室的流场进行计算。分析了工作过程各个阶段的流场特征,并对不同摆动频率下燃烧室的平均压力和燃烧效率进行对比。结果表明,相同进气温度下,摆臂频率越低,燃烧效率越高且平均压力的峰值越大。