微型降膜加热器流动及燃烧特性的数值模拟与实验研究

摘要

根据水平螺旋槽管降膜蒸发研究成果，设计出水平螺旋槽管降膜燃油雾化器，将其应用到微型加热器的燃烧室中，具有一次性形成燃油蒸气并利于燃气混合，所需混合空间小、时间短的巨大优势。通过针对此微型燃烧室燃烧机理选择了合理的点火方式、点火时间和点火位置，成功实现了点火及稳定燃烧。与功率同为2kw的不锈钢丝绵网蒸发加热器相比，具有蒸发效果好、点火时间短、燃烧效率高、积碳易清理等优点。 针对加热器内外复杂结构建立了整机三维全尺寸几何模型以及精度的数值计算网格模型。以Fluent软件为平台，采用RNGk－ε湍流模型、标准壁面函数法、PDF燃烧模型、液滴离散相模型等对加热器整机实验模型内流动、燃烧及燃烧室与外部换热过程进行了模拟计算，揭示了燃烧室内气体流动过程中的速度、温度和组份浓度分布，与试验结果比较表明，模拟计算结果具有合理的工程精度。 根据数值计算的结果，对加热器性能可能产生影响的结构参数进行了分析探讨，结合正交试验设计法，进行CFD正交试验，挑选出对加热器性能产生显著影响的结构参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1研究背景及意义

1.2微型加热器的研究现状

1.3数值模拟技术在燃烧流场特性研究中的应用

1.4几种用于燃烧数值模拟的软件介绍

1.5本文的主要研究工作

2.微型降膜加热器燃烧试验研究

2.1燃烧室冷态流动试验

2.2降膜燃烧室点火及燃烧试验

2.3降膜加热器性能及对比试验

2.3.1降膜加热器性能试验

2.3.2性能对比试验

2.4本章小结

3加热器数值模拟的基本原理

3.1基本控制方程

3.2湍流模型理论

3.2.1标准κ-ε两方程模型

3.2.2 RNG k-e模型

3.2.3壁面函数法

3.3组分输运模型理论

3.4离散项模型(DPM)

3.4.1惯性颗粒的加热与冷却

3.4.2液滴蒸发

3.4.3液滴沸腾

3.5燃烧模型

3.6辐射传热模型

3.7 NOx形成模型

3.7.1热力型NOx生成机理

3.7.2快速型NOx生成机理

3.7.3燃料型NOx的生成机理

3.8本章小结

4微型降膜加热器的数值计算

4.1加热器的物理模型

4.1.1加热器的工作原理

4.1.2数值计算的简化假设

4.2加热器几何模型和网格划分

4.2.1加热器几何模型建立

4.2.2划分计算网格

4.3加热器燃烧数值计算模型和边界条件

4.3.1湍流模型的设置

4.3.2离散项模型(DPM)的设置

4.3.3燃烧模型的设置

4.3.4辐射传热模型设置

4.3.5污染物模型的设置

4.3.6边界条件设置

4.4求解参数控制

4.5收敛判定

4.6微型降膜加热器燃烧流场数值分析

4.6.1微型降膜加热器冷态流场分析

4.6.2加热器燃烧模拟结果分析

4.7本章小结

5改进加热器性能的CFD正交试验

5.1正交试验法简介

5.2结合数值模拟的正交试验法在加热器性能改进中的应用

5.3试验结果分析

5.3.1极差分析法

5.3.2方差分析法

5.4本章小结

6.结论及工作展望

6.1结论

6.2工作展望

参考文献

致 谢

个人简历及硕士期间发表的学术论文