微尺度燃烧过程的无量纲准则数分析
随着电子和信息技术的发展和微加工技术的逐步成熟,微电子机械系统(MEMS)得到快速发展,满足人们日益增长的工作和生活需要。微电子机械系统的动力组件迫切需要体积小、工作时间长的动力源,但传统的电池能量密度低、体积大而不能满足这类机械的能量供给需要,所以,最近几年对能源的高功率密度要求在显著地增长。这种发展趋势促进了微动力(Power MEMS)系统的出现。Power MEMS系统是基于微燃烧技术的能量转换方面的微系统,由于碳氢燃料的高能量密度,微动力系统得到快速发展,微尺度燃烧室是该类装置的核心部件,其内部燃烧特性的揭示和燃烧过程的组织对于设计和制造高性能的微燃烧室至关重要。本论文主要从微燃烧的特性出发,在CFD数值模拟的基础上通过无量纲方法去分析微燃烧过程的无量纲准则数,获得了一些具有学术和实际应用价值的结果:
(1)建立了平板式微燃烧室内氢气/氧气预混层流燃烧的计算模型,并定义了微尺度燃烧过程中相关的长度尺度和时间尺度参数,同时给出了与这些参数相关联的无量纲准则数的数学表达式,通过这些无量纲准则数分析了尺度效应对于微燃烧过程的影响。
(2)从燃烧反应与传热耦合的角度,采用无量纲方法,推导了表征截面平均传热强度的准则数Nux的数学表达式,揭示了预混燃料的入口物性参数对Nux的影响;并定义了一个无量纲因变量θ=R/δr(微燃烧室特征尺寸/反应区厚度),采用无量纲拟合方法拟合出Nux=f(Re,Pr,θ)的数学关系式,即Nux=θRex0.382 Prx0.425,基于此关系式,使得影响微燃烧过程传热特性的因素(主要包括燃烧室尺寸、流体结构组织以及燃料物性等因素)得到了统一关联。
(3)微尺度燃烧的机理与常规尺度相同,从单一燃烧机理去研究燃烧过程的组分传质机理,这不能很好地突出组分传质对微燃烧特性的影响,基于此,主要对微催化燃烧条件下的传质过程进行分析,综合考虑空间气相反应与表面催化反应耦合反应对微燃烧的影响,推导出了影响燃烧的关键组分OH的截面平均传质准则数Shx的数学表达式,通过分析入口气流速度和温度对Shx的影响,揭示了空间气相反应和表面催化反应之间的抑制作用机理,给出了分析微催化燃烧过程的新思路。
(4)基于上述对于微燃烧过程传热传质特性以及流动特性的分析,并综合考虑了流场组织、流态以及燃烧室结构对良好组织燃烧的影响,提出了一种新型的双喷口平板式微燃烧室模型。基于上文中的无量纲准则数的数值计算方法,分析了双喷口燃烧室的Nux数值的变化、燃烧效率以及温度分布特性等相关量,验证了其在组织燃烧、传热以及流动等特性上的优越性,一定程度上为微燃烧室的优化设计提供了技术原型。
无量纲准则数分析;微尺度燃烧过程;组分传质机理;温度分布特性;数值模拟;传热耦合
江苏大学
硕士
工程热物理
潘剑锋
2012
中文
TK16;TK124
91
2012-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）