微细通道中多种效应的耦合作用对火焰稳定性的影响

摘要

微燃烧器的尺寸很小，面体比很大，这分别使得燃料停留时间很短和散热损失很大，从而导致火焰易失稳和熄灭。为提高微小尺度下火焰稳定性，采用经典的流体回流和热回流稳燃方法，开发了微小钝体和凹腔燃烧器及带平板稳燃器的微小热回流燃烧器。对这些燃烧器内多种效应（传热、传质、流动和燃烧化学反应）的耦合作用对火焰稳定性的影响进行了深入系统的研究。
　　本文首先研究了微小钝体燃烧器内氢气预混火焰燃烧特性，结果表明钝体后形成的回流区能很好的锚定火焰，使得火焰稳定性大大增强，从而得到较大的火焰吹熄极限。然后考察了钝体的几何参数和壁面材料对火焰吹熄极限的影响。钝体形状对火焰吹熄极限的影响较大，这主要是因为钝体形状对回流区大小和火焰锋面所受剪应力影响较大。钝体大小对吹熄极限也有显著影响，结果表明吹熄极限随阻塞比的增大而增大。这主要是因为较大钝体后的回流区较大，从而使得其吹熄极限也较大。对于由石英、不锈钢和SiC制成的微小钝体燃烧器，石英燃烧器的吹熄极限最大，而SiC燃烧器的吹熄极限最小，这时吹熄极限主要由流场和散热损失的耦合作用决定。通过实验和数值模拟对有无钝体燃烧器内的甲烷预混火焰进行了研究。结果表明在无凹腔的直通道内只能观察到倾斜火焰，而微小钝体燃烧器在较大进气速度时依然能出现稳定对称的火焰，其吹熄极限是无钝体燃烧器的两倍左右，这些说明钝体稳燃效果良好。当进气速度较大时，火焰会发生夹断现象而吹熄。研究了微小凹腔燃烧器内氢气预混火焰燃烧特性。结果表明凹腔内形成的回流区、低速区和下游壁面附近的边界层能增强火焰稳定性。当进气速度增大到一定程度时，火焰顶部会发生分裂现象，为便于定量比较定义了火焰分裂极限。由于凹腔内回流区和低速区的大小随长深比的增大而增大，这使得火焰分裂极限也随之增大。材料的导热系数和通道间距对火焰分裂极限也有显著影响，结果表明火焰分裂极限随导热系数和通道间距的增大都是先增大后减小，分析表明此时火焰分裂极限主要由传热和流场的耦合作用决定。适中大小的导热系数和通道间距有利于此燃烧器内的火焰稳定性。对微小凹腔燃烧器内甲烷预混火焰燃烧特性进行了实验研究。结果表明在微小凹腔燃烧器内易出现稳定对称的火焰，且其吹熄极限是相应火焰燃烧速度的数倍，这些说明凹腔有很好的稳燃能力。分析表明凹腔内的低速区、壁面的预热作用和凹腔内局部当量比较大的区域这三者的耦合作用有利于火焰的稳定性。当进气速度较大时，火焰锋面在凹腔斜壁面与随后水平壁面之间的拐点处被拉断而被吹出燃烧室而发生熄灭。另外，通过改变压力、材料的导热系数和通道间距进一步研究了燃烧化学反应、传热和流场的耦合作用对火焰稳定性的影响。结果表明火焰吹熄极限随着压力的增大先增大后降低。这主要是因为压力适中时的火焰根部的锚定能力较强，且火焰锋面所受剪应力较小。而吹熄极限随导热系数的增大先减小后增大，这主要是因为不同导热系数时热回流效应的差异使得火焰锋面与拐点的距离随导热系数的增大先增大后减小。此外，通道间距的变化也会显著改变传热效应。由于通道间距较大时对来流气体的预热作用较好，火焰根部的散热损失也较小，使其吹熄极限较大。为了更好地发挥流体回流和热回流各自或耦合的优势，开发了一种带平板稳燃器的微小热回流燃烧器。结果表明此结构能较大提升火焰稳定性。对于铜质、不锈钢和SiC三种燃烧器，此时火焰吹熄极限主要是由热循环效应决定，而热循环效应受材料的导热系数影响较大，较大导热系数的材料有利于火焰稳定性。另外，吹熄极限随平板稳燃器长度的减小先增大后减小。这是因为此时吹熄极限主要由热回流和流场两者耦合作用决定。适中长度的平板稳燃器后回流区较大、火焰根部所受剪应力较小和热回流效应较好，这些有利于火焰的稳定。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

主要符号表

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2微小尺度燃烧面临的挑战

1.3微小尺度下影响火焰稳定性的因素

1.4微小尺度下的火焰稳燃方法

1.5本文研究工作的提出

1.6本文主要的研究内容

2 微小钝体燃烧器内H2/air预混燃烧特性

2.1引言

2.2当量比和进气速度对燃烧特性的影响

2.3钝体形状对火焰吹熄极限的影响

2.4阻塞比对火焰吹熄极限的影响

2.5材料对火焰吹熄极限的影响

2.6本章小结

3 微小钝体燃烧器内CH4/air预混燃烧特性

3.1引言

3.2实验结果与方法

3.3数值模拟与方法

3.4火焰的稳燃和吹熄机理

3.5本章小结

4 微小凹腔燃烧器内H2/air预混燃烧特性

4.1引言

4.2数值模拟方法

4.3进气速度和当量比对燃烧特性的影响

4.4长深比对火焰分裂极限的影响

4.5导热系数对火焰分裂极限的影响

4.6通道间距对火焰分裂极限的影响

4.7本章小结

5 微小凹腔燃烧器内CH4/air预混燃烧特性

5.1引言

5.2实验结果与讨论

5.3数值模拟与方法

5.4火焰的稳燃和吹熄机理

5.5压力对火焰吹熄极限的影响

5.6导热系数对火焰吹熄极限的影响

5.7通道间距对甲烷火焰吹熄极限的影响

5.8本章小结

6 带平板稳燃器的微小热回流燃烧器内CH4/air燃烧特性

6.1引言

6.2数值模拟方法

6.3材料对火焰吹熄极限的影响

6.4平板稳燃器长度对火焰吹熄极限的影响

6.5本章小结

7 结论与展望

7.1主要结论

7.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参加的学术会议

附录3 攻读博士学位期间获授权的专利

附录4 攻读博士学位期间主持及参与的科研项目

附录5 攻读博士学位期间所获奖励