Power MEMS氢气微燃烧过程的数值模拟

摘要

Power MEMS(MEMS-based power sources)即基于MEMS的微能源动力系统，在航空航天、通信、生物医学、国防等领域具有广阔的应用前景，将给现代社会带来重大而深远的影响。国内外已经相继开展了对它的研究，但是开展的研究大都着重于技术和工艺为题，在制约系统成败的关键问题，特别是如何实现微尺度燃烧等问题上的研究由于理论和试验模型的缺乏，仍然没有突破性的进展。微尺度燃烧是随着PowerMEMS的出现而提出的，H2的微燃烧以及微燃烧室的研究都是当今的热点问题，国内开展这方面研究的单位还比较少， 本论文以Jinsong Hua和Meng Wu等提出的管道型燃烧室模型和MIT微型涡轮机的燃烧室模型为研究对象，对Power MEMS微燃烧的数值模拟方法进行研究，基于微燃烧原理和特点，采用了合理的物理模型和数值计算方法，包括控制方程、化学反应动力学、物质传输理论、有限体积法及合理的边界条件等，用FUJENT软件及其用户子程序CHEMKIN系统地模拟了混合燃气的微燃烧情况，并与Jinsong Hua和Meng Wu等所得出的相关结论进行比较。 本文第一部分对管道型燃烧室中的H<,2>/air微燃烧进行了数值模拟，表明：燃烧室直径的增大可以使得燃烧更加完全，燃烧室效率增大；随着H<,2>当量比的增大，燃烧室出口温度和平均反应速率都呈现先增大后减小的趋势；壁面散热对燃烧效率和速度影响非常大，而且燃烧室尺度越小，这种影响就越大；采用详细反应机理可以更精确地对燃烧室局部进行定量分析，而且模拟结果与Jinsong Hua和MengWu等得出的结论更加接近， 本文第二部分对MIT微型涡轮机的燃烧室中的H<,2>/air燃烧进行了数值模拟，表明：随着入口混合气体质量流量的增大，燃烧室效率出现先增大后减小的趋势，质量流量过小，气体可能在循环套内燃烧从而可能对壁面材料造成损坏：H2<,2>当量比在小于1的范围内增大，燃烧效率增大，但是如果当量比到一定数值后会产生在循环套内燃烧的情况，因此要选择合适的质量流量和H<,2>当量比。虽然本文的是针对二维模型的计算，而且采用绝热壁面边界，但是同样可以反映Jinsong Hua和MengWu等得出的结论，

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1关于Power MEMS的研究

1.1.2微尺度燃烧研究的提出及意义

1.2微尺度燃烧的特点概述

1.3微尺度燃烧器的研究现状及进展

1.4数值方法的发展及应用

1.4.1计算流体动力学及其软件的发展

1.4.2数值模拟在微尺度燃烧中的应用

1.5本论文的主要工作

2数值计算模型与方法

2.1物理模型

2.1.1控制方程

2.1.2组分气体定压比热容

2.1.3气体粘性系数

2.1.4气体导热系数

2.2化学反应动力学模型

2.2.1化学反应动力学模型简化

2.2.2层流有限速率模型

2.2.3氢氧化学反应模型

2.3燃烧室参数的计算

2.3.1驻留时间

2.3.2当量比

2.3.3燃烧效率

2.4有限体积法

2.5数值离散与方法

2.5.1空间离散一阶迎风格式

2.5.2分离隐式的求解方法

2.5.3 SIMPLE算法

2.6本章小结

3管道型微燃烧室的数值模拟

3.1网格划分与边界条件

3.1.1燃烧室结构与网格划分

3.1.2边界条件与初始条件

3.2管道直径对燃烧的影响

3.3 H2/air当量比对燃烧的影响

3.4壁面散热对燃烧的影响

3.5详细化学反应模型的计算

3.6本章小结

4 MIT涡轮机微燃烧室的数值模拟

4.1网格划分与边界条件

4.1.1燃烧室结构与网格划分

4.1.2边界条件与初始条件

4.2燃气质量流量对燃烧的影响

4.3燃气当量比对燃烧的影响

4.4本章小结

5结论

致谢

参考文献

附录