带隔板微燃烧室内甲烷和空气的预混合燃烧研究

摘要

微尺度燃烧的研究对于丰富燃烧理论有着重要的科学意义，同时为微动力系统的发展提供了技术支持。本文在调研国内外相关研究工作的基础上，设计了一种带隔板的微燃烧室，并对其内部预混合CH4/Air进行了燃烧试验，分析了隔板位置、隔板间距、隔板材料和外部壁面加热对燃烧过程的影响规律。
　　本研究主要内容包括：⑴搭建了可进行壁面辅助加热的可视化微燃烧实验测试平台，并加工了多种带隔板的燃烧室，对火焰状态和燃烧室壁面温度进行了观测。对不同流量和当量比下燃烧室内预混火焰的演变过程、可燃界限和壁面温度进行了测试。同时，建立了微尺度下甲烷和空气燃烧的数值计算模型，并进行了试验验证。⑵通过试验方法分析了隔板位置、隔板间距和隔板材料对燃烧室可燃界限及壁面温度分布的影响。结果表明：隔板的加入会增大火焰进入燃烧室的难度。隔板布置在出口处，火焰进入燃烧室的难度最大，且在高流量下无法在燃烧室内燃烧，但在小流量时火焰熄灭时对应的当量比最小。当隔板间距为2mm时，火焰无法进入隔板之间。当隔板间距为4mm时，CH4/Air预混火焰进入燃烧室时需要的空气量较少，且火焰在燃烧室内稳定性较好。相对于使用不锈钢作为隔板材料，采用高导热性的催化材料Pt制作隔板能拓宽可燃界限，并提升燃烧稳定性。⑶通过试验方法研究了壁面辅助加热对可燃界限的影响。结果表明：流量一定的条件下，随着壁面加热温度升高，预混火焰进入燃烧室时所对应的当量比增加，且火焰吹熄时对应的当量比减小。壁面温度为常温时，隔板采用Pt材料的燃烧室甲烷流量超过89sccm，即使当量比为1.0时火焰也不能进入燃烧室；壁面温度加热到400K时，在当量比为1.0，甲烷流量为98sccm的情况下，火焰仍能进入燃烧室；壁面温度加热到600K时，在当量比为1.0，甲烷流量为140sccm的情况下，火焰也能进入燃烧室，这说明随着温度的增加，燃烧室内的甲烷燃烧范围不断增大。⑷借助数值模拟方法辅助分析了壁面加热对燃烧过程的影响。结果表明：随着加热温度的升高，近加热器一侧火焰拉伸率不断增大。相对于不锈钢材料，隔板采用Pt材料时火焰拉伸较小。加热温度低于600 K时，燃烧室外壁面温度较低，且温度分布均匀性较差；当加热温度高于700K时，表面反应活性增强，燃烧室外壁面温度分布发生显著改善；加热温度在950K以上时，燃烧室内预混气体受热膨胀，反应物浓度降低，气相反应变弱。加热温度范围为750K-1050K时，燃烧转化率较高，且在加热温度为950K时达到最高值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1微动力系统的应用

1.2微尺度燃烧的稳定性

1.3微尺度燃烧研究现状

第二章 实验方法和数值计算模型

2.1 试验装置和方法

2.2计算模型

2.3 本章小结

第三章 内置隔板对微通道内CH4/Air燃烧特性的影响

3.1.2火焰传播过程中的热量分布

3.2隔板对燃烧室内燃烧特性的影响

3.3 本章小结

第四章 外部加热对燃烧室内可燃界限的影响

4.1加热方式和功率对壁面温度的影响

4.2壁面加热对可燃界限的影响

4.3 加热对燃烧室内火焰演变过程的影响

4.4 本章小结

第五章 加热对燃烧室温度分布及散热的影响

5.1加热对燃烧室温度和散热的影响

5.2 不同流量下加热对壁面温度及散热的影响

5.3 不同当量比下加热对壁面温度和散热的影响

5.4本章总结

第六章 总结与展望

6.3工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及其他科研成果