论文部分内容阅读
具有能量密度高、体积小、易携带等优点的微燃烧器在航空、便携电子通信设备等军事、工业和日常生活等领域内应用广泛,同时,热值高、储量丰富的氢气作为燃料应用于微燃烧器,非常有利于微型化能源动力系统的应用和开发,因此,宽稳燃范围的微燃烧器近来引起人们的注意。但是尺度微小化后导致燃烧器表面积/体积增大、燃料在燃烧器内驻留时间减小、散热损失增大等缺陷,导致火焰的稳定性变差、出现熄火以及分裂等不稳定燃烧现象。 针对目前微燃烧器内存在的燃烧不稳定等问题,本文设计了可控涡两侧开缝钝体微燃烧器,通过采用氢气/氧气反应机理的数值模拟,比较分析传统钝体与可控涡两侧开缝钝体微燃烧器在不同进气速度、当量比和进气温度下的燃烧特性,并针对可控涡两侧开缝钝体微燃烧器进行结构优化,研究可控流量配比γ、可控缝隙d、可控涡两侧开缝钝体角度θ、可控气流方向角度β的参数改变对燃烧器内燃烧效率、吹熄极限、温度和流速分布等燃烧特性的影响。 利用钝体两侧的高速可控气流与钝体后形成更大的速度差,进一步扩大燃烧器内回流区、强化燃烧器内流动和传热、延长燃料的驻留时间,有效地提高燃烧器的燃料利用率、扩大吹熄极限。随进气速度增大,可控涡两侧开缝钝体燃烧效率高于传统钝体,因为可控涡两侧开缝钝体扩大回流区,促进燃烧效率提升幅度增加,但是进一步增大进气速度,导致燃烧器两侧流速增大,未反应完全的燃料容易流出燃烧器,导致燃烧效率提升幅度有一定程度的降低。随当量比增大,可控涡两侧开缝钝体和传统钝体微燃烧器的吹熄极限和燃烧效率都呈现先增大后减小的趋势,在当量比为1时,两种燃烧器的吹熄极限均达最大值37m/s和51m/s。进气速度增大,导致燃料燃烧不完全热损失增加,同时也扩大回流区,增强了燃烧化学反应速率;而当量比增大意味着燃料量增加,需要更高的燃烧化学反应速率,三者耦合作用导致不同进气速度下两种微燃烧器在不同当量比下达到燃烧效率最大值。当进气温度提高时,可控涡两侧开缝钝体和传统钝体微燃烧器的燃烧效率和温度分布均匀性均有极大提高。 研究可控涡两侧开缝钝体微燃烧器参数对氢气/空气预混燃烧特性的影响表明,提高可控流量配比或者减小可控缝隙均能明显提高可控气流的进气流速,扩大回流区、提高燃烧效率。进一步扩大可控流量配比或缩小可控缝隙,可控气流流速过大,会造成不完全燃烧热损失增加,吹熄极限减小。此外,可控缝隙过大会导致主通道内燃料流速增加,燃料从燃烧器两侧流出,吹熄极限减小。增大可控涡两侧开缝钝体角度或减小可控气流方向角度都能显著提高燃烧效率,因为可控气流的径向速度增大,轴向速度减小,回流区扩大,燃料驻留时间增加。增大可控涡两侧开缝钝体角度导致钝体后部剪切应力增大,导致吹熄极限随可控涡两侧开缝钝体角度增大而减小;过大或过小的可控气流方向角度则导致可控燃料气流的轴向流速或者径向流速过大,导致燃料流出燃烧器,吹熄极限降低。 本文通过研究微型可控涡两侧开缝钝体燃烧器内氢气/空气燃烧特性,得到混合增强及高效稳定燃烧的机理,实现氢气燃料在微燃烧器内高效稳燃,为微尺度下碳氢燃料的高效稳燃技术提供指导。