【摘要】：作為微電子機械系統(tǒng)的分支,基于高能量密度碳氫燃料燃燒的微型動力系統(tǒng)一直是科學研究的熱門方向。對獨立微尺度燃燒腔的性能開展研究對微型動力系統(tǒng)的設計具有指導意義。本文結(jié)合實驗和Ansys Fluent 16.0數(shù)值模擬對微尺度平板式和圓柱形燃燒器開展研究,模擬過程中采用詳細化學反應機理,并借助用戶自定義方程(UDF)設定特定條件。本文主要研究目的在于探討微尺度燃燒的影響因素,提高微尺度燃燒的穩(wěn)定性,對微燃燒器結(jié)構優(yōu)化提出合理性建議。平板式微燃燒器主要應用在微熱光伏發(fā)電系統(tǒng)中。作為微熱光伏系統(tǒng)的核心部件,微燃燒器壁面輻射效率的提高,以及壁面溫度均勻性和火焰穩(wěn)定性的增強能夠有效地提高系統(tǒng)的整體效率,延長電池壽命。本文對平板式微燃燒器研究表明,燃燒器填充多孔介質(zhì)后,外壁面溫度和輻射效率明顯增加,火焰穩(wěn)定性增強。提高多孔介質(zhì)孔隙率,外壁面的溫度升高,火焰位置隨流速移動的敏感性減小。此外,結(jié)合鈍體的穩(wěn)燃特性和多孔介質(zhì)的熱回流性質(zhì)對燃燒器結(jié)構進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明:在半鈍體燃燒器中,鈍體寬度增加,外壁面溫度降低,火焰穩(wěn)定性減小。在半鈍體燃燒器結(jié)構中,甲烷預混燃燒的壁面熱輻射性能增強。氫氣預混燃燒與甲烷存在差異:氫氣在尾部半填充多孔介質(zhì)燃燒時,外壁面存在兩個高溫區(qū),溫度均勻性增加。此時外壁面的熱性能要高于半鈍體燃燒器和全填充多孔介質(zhì)燃燒器。采用圓柱形石英管燃燒器對甲烷火焰動態(tài)特性進行研究和分析。實驗過程中觀察到在不同氧氣濃度下火焰出現(xiàn)反復熄火著火、穩(wěn)定燃燒和雙層震蕩火焰狀態(tài)。結(jié)合UDF定義壁面溫度分析火焰穩(wěn)定特性研究發(fā)現(xiàn),負拉伸火焰能夠提高火焰穩(wěn)定性,正拉伸火焰穩(wěn)定性降低。通過套管優(yōu)化圓柱形燃燒器結(jié)果表明:套管燃燒能夠增強燃燒器壁面和火焰熱耦合效應,火焰的溫度和穩(wěn)定性得到提高,同時外壁面溫度顯著提高。因此套管微燃燒器更加適用于微動力系統(tǒng)燃燒器。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ515
【圖文】：

圖 1-1 鋰離子電池與其他烴類和含氧烴類燃料及不同發(fā)動機的能量密度對比[14]微尺度碳氫類燃料燃燒極大地促進微電子機械系統(tǒng)的應用。微動力系統(tǒng)的特小通常幾毫米和幾厘米之間，通過燃燒腔將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為熱能，進而能進行發(fā)電，最終輸出電能。微動力系統(tǒng)的發(fā)展可以追溯到 1997 年，當時 Eenturia[15]在美國航天航空學會上提出了“微型熱機”的概念。他們指出根據(jù)力學循環(huán)（布雷頓和朗肯等循環(huán)），特征尺度在亞厘米級別的微型動力系統(tǒng) 10 到 100 瓦的功率輸出，為動力和推進領域提供新的機遇。Chigier 等人[1碳氫燃料燃燒的微動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)10 kWh/kg的能量密度輸出,系統(tǒng)輸出的電功率和機械功率密度可以與大型機器的功率密度相比，因此這類微型熱發(fā)廣泛地應用于移動動力源、推進發(fā)動機、循環(huán)回路控制以及電子冷卻動力系自“微型熱機”的概念提出后，不同類型的微發(fā)電系統(tǒng)，如微燃氣輪機[17]、動機[18]、微熱電裝置[19]和微熱光電系統(tǒng)(Micro Thermophotovoltaic SyTPV）)[19, 20]等動力系統(tǒng)得到了不斷的發(fā)展。

圖 1-2 1996 年 Epstein 等人設計的微型燃氣輪機的燃燒系統(tǒng)結(jié)構圖[15]年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基礎上，設計、制料加工而成的微燃氣輪機燃燒系統(tǒng)。并通過計算流體動力學（下預混氫氣完全燃燒所需的最小體積，選擇燃燒室的軸向長度該燃燒系統(tǒng)的體積小于 0.07 cm3，由三個 1 mm 的硅片堆疊而成器、燃燒室入口孔和燃燒室。燃燒室是一個高度為 1 mm 的環(huán)66 mm3，燃燒器的內(nèi)外徑分別為 5 mm 和 10 mm。實驗證明燃燒混氫氣燃燒。在當量比為 1.0 的預混氫氣燃燒時，燃燒室的出 K，達到了渦輪的理想氣體溫度。但由于平臺的熱隔離性能差，燒室的總體效率只能保持在 40%-60%之間。

圖 1-2 1996 年 Epstein 等人設計的微型燃氣輪機的燃燒系統(tǒng)結(jié)構圖[15]1998 年，Mehra 和 Waitz 等人[21]在 Epstein 的研究基礎上，設計、制造并測試首臺利用硅材料加工而成的微燃氣輪機燃燒系統(tǒng)。并通過計算流體動力學（CFD）預測的大氣壓力下預混氫氣完全燃燒所需的最小體積，選擇燃燒室的軸向長度，結(jié)構如圖1-3 所示。該燃燒系統(tǒng)的體積小于 0.07 cm3，由三個 1 mm 的硅片堆疊而成，配有燃料歧管和噴油器、燃燒室入口孔和燃燒室。燃燒室是一個高度為 1 mm 的環(huán)形區(qū)域，體積為直徑 66 mm3，燃燒器的內(nèi)外徑分別為 5 mm 和 10 mm。實驗證明燃燒室能夠維持預混和非預混氫氣燃燒。在當量比為 1.0 的預混氫氣燃燒時，燃燒室的出口溫度可以達到 1800 K，達到了渦輪的理想氣體溫度。但由于平臺的熱隔離性能差，導致過高的熱損失，燃燒室的總體效率只能保持在 40%-60%之間。

【參考文獻】

相關會議論文 前1條

1 吳茂鈞;黃錦斐;;微電子機械系統(tǒng)(MEMS)綜述[A];2005年上海市電鍍與表面精飾學術年會論文集[C];2005年

本文編號：2801242