微催化燃烧室内燃烧过程的数值模拟和实验研究

摘要

近年来，由于微加工技术的不断突破，微机电系统（MEMS）得到了蓬勃发展，在国计民生各领域展现出广阔的应用前景，这对其动力供给单元提出了高能量密度和长使用寿命的迫切要求。基于燃烧的微动力系统满足这些要求，而作为这类微型动力装置的主要部件，微型燃烧器的工作性能对于系统的整体效能至关重要。 尺度缩小带来的一系列不利影响制约了微型燃烧器的性能。例如，由于受到燃烧室尺寸的约束，燃烧空间很小，燃料及氧化剂在微燃烧室内的驻留时间大幅缩减，很难保证燃料能够完全转化。此外，尺寸缩小带来了面容比的增大，燃烧过程中的热损失十分严重，燃烧不易稳定。在燃烧室内壁面负载催化剂引入表面反应是解决上述问题的有效途径，但是相关基础性研究还远远不足。因此，有必要开展微尺度燃烧室内催化燃烧的研究。 本文针对微型催化/非催化燃烧室内的氢/氧预混燃烧进行了系统的试验研究和数值模拟，分析了不同参数条件下的燃烧特性，研究了空间/表面反应对燃烧的相互作用，剖析了燃烧室结构对催化燃烧特性的影响。所取得的具有学术价值和实用价值的研究成果如下： （1）在充分调研微尺度燃烧和催化燃烧研究动态的基础上，设计制作了平行板式微燃烧室和催化铂片，并利用铂片的不同组合形成变截面燃烧室。设计并完成实验台的搭建；针对平行板式、突扩式和变截面式微燃烧室进行建模，完成网格无关性检查和实验验证。 （2）改变入口速度、当量比、燃烧室高度、催化位置和催化面积进行实验，分析了不同参数对空间反应和表面反应的影响并获得了相关规律。结果表明，不同工况下，燃烧室外壁面中心线温度沿燃烧室长度方向均先上升后下降。随着入口速度的增大，外壁面温度升高。随着当量比的增加，外壁面温度先上升后下降，当量比为1.0时达到峰值。相同入口流量时，入口高度越小，外壁面温度越高。催化位置越靠近入口，对微尺度燃烧的影响越大。相比之下，催化面积的影响则不甚明显。 （3）在实验验证的基础上，建立微催化燃烧室内部燃烧过程的计算模型，计算研究了不同参数下微尺度气相燃烧/耦合燃烧/纯催化燃烧过程的燃烧特性。并对耦合燃烧过程中表面反应对空间气相反应的相互作用进行了剖析。研究表明：维持当量比不变时，增大入口流速，耦合燃烧具有更高的燃料转化效率。同时催化反应的介入降低了燃烧室混合气体的平均温度和出口处气体的平均温度；当维持入口流速不变，在贫燃条件下，催化反应有利于提高耦合燃烧过程的燃料转化效率。在富燃条件下，耦合燃烧过程燃料转化率低于空间气相燃烧过程；由于表面/空间反应之间存在对反应物和中间产物的竞争和对气相组分的吸附作用，在催化面及其附近区域，表面反应在此两方面具有明显竞争优势，最终导致耦合燃烧过程的燃烧特性有别于气相燃烧。 （4）计算分析了不同结构的微催化燃烧室的燃烧特性，剖析了结构突变对燃料转化率的影响机制。研究表明：突扩式和变截面式燃烧室内部存在的低速回流区，有利于反应物和中间自由基的的混合、输运，明显促进燃烧并提高了燃烧效率。此外，将催化段布置在紧靠燃烧室入口处，可获得更高的催化燃烧效率；燃烧室内部的突扩面为向上游壁面传递热量提供了通道。这部分热量预热了入口气体、提高催化面温度，起到了提升热流密度和催化反应速度的作用。向上游传递的热量值以突扩式燃烧室为最高，对应该燃烧室内的氢气转化效率也最高。 本文的工作为微尺度燃烧理论提供实验和数值模拟基础，为燃烧性能的改善提供理论支持。论文所提出的研究方法和结论对于微燃烧器的设计优化也具有一定参考价值。

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