论文摘要
微型推力器、微小能源或动力装置中高密度能量可通过在微小尺度空间组织燃烧获得。通过调研国内外相关研究工作,总结了微小尺度燃烧在新型能源环境下的重要意义,提出了微小尺度燃烧领域里存在的问题和挑战,并指出催化燃烧、多孔介质燃烧及二者相结合的技术是减小淬熄距离,提高贫燃熄火极限的最主要和最有效的手段。微小尺度燃烧研究具有重要的工程应用与学术价值。建立了基于CHEMKIN和FLUENT平台的二维催化燃烧数值方法,并利用详细化学反应动力学机理,对CH4/Air在Pt表面催化燃烧进行数值研究与模型验证。首先,在滞止流研究平台上,利用基于一维假设的Spin程序计算滞止点催化燃烧温度场,并获得与Deutschmann的计算一致的结果。引入气相反应后,对二维轴对称和一维模拟的催化燃烧火焰结构进行对比分析,验证了所建立的二维数值模型,同时考察滞止流一维假设的适用性。通过比较不同拉伸率的一维和二维计算结果,指出低拉伸率时必须考虑径向扩散;在高拉伸率时,温度和组分浓度一维特性较好。最后,为研究表面催化燃烧对淬熄距离和空间气相燃烧的影响,对微小尺度二维渐扩通道内表面的催化燃烧进行数值模拟。研究结果表明,表面催化能使气相燃烧稳定在更小尺寸的空间内,显著缩小淬熄距离。另外,表面催化燃烧能降低局部高温,减少热损失同时能有效提高燃料转化率,有利于在微小尺度空间组织更稳定的燃烧和减少污染物排放。利用多孔介质燃烧技术设计了用作TPV热源的中空和非中空侧面辐射器、端面辐射器。侧面辐射器的辐射表面积较大,功率约为4kW的燃烧即可获得高达1000℃以上的辐射表面温度。功率为4.3kW时,最高辐照密度可达9kW/m2;多孔介质内可组织大面积均匀燃烧,且温度均匀性好。功率一定时,低当量比可获得更好的辐射表面温度均匀性。功率4.3kW、当量比0.5时,辐射表面沿流向平均温度梯度为1.7℃/mm;回热能有效提高辐射温度和辐射效率,但易导致回火。与侧面辐射器相比,端面辐射器的辐射表面温度更高、更均匀,且便于PV电池安装和系统集成,但辐射面积小。端面辐射器的研究结果表明,最大相对温差小于3%;可实现最低当量比0.33的稳定可持续燃烧。实验工况下,两种辐射器的NOx排放都低于25 PPM;当量比高于0.45时,CO排放均低于10 PPM。为了研究辐射对小尺度贫燃料燃烧特性的影响,设计了带回热的小尺度燃烧器,实验研究了甲烷和丙烷两种燃料的小尺度燃烧特性、贫燃熄火极限、污染物排放等,并辅以数值手段分析燃烧温度和回热效率。实验结果显示,该燃烧器在热负荷为0.23.8kW范围内能长时间稳定燃烧。甲烷吹熄当量比为0.40,而丙烷为0.39;多数研究工况能保证NOx排放约20PPM ,CO排放低于100PPM。利用双温度、等效热传导等模型建立的数值方法能很好地预测多孔介质和燃烧器壁面温度。数值计算结果表明,燃烧区域温度高达2000K,而回热后的烟气出口温度仅900K左右,长130mm的环形回热通道实现了约40%的回热效率,使得燃烧在极贫燃条件下仍然稳定。
论文目录
相关论文文献
标签：微小尺度燃烧论文; 淬熄距离论文; 贫燃极限论文; 催化燃烧论文; 多孔介质燃烧论文; 催化反应动力学论文; 数值模拟论文; 污染物排放论文;