微型管道内氢气催化燃烧的数值模拟

根据空间气相和表面催化详细化学反应机理,应用耦合计算流体力学软件Fluent和化学反应动力学软件Chemkin,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,并讨论不同反应模型的燃烧特性以及导热壁、管壁材料(Pt,Si和Al)、预混合气体入口速度和当量比等因素对催化燃烧反应的影响.计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;在微型管道内,通过导热壁轴向间的传热,预热入口混合气体,使氢气燃烧更加充分;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;管壁材料和当量比对氢气的催化燃烧过程有重要的影响.计算结果为在微动力机电系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据.     

微燃烧室内截面突变对氢氧预混燃烧的影响

针对微燃烧室内部氢氧预混燃烧过程,建立耦合氢氧气相反应动力学机理的数值计算模型,利用CFD计算软件,在试验验证的基础上得到了带截面突变微燃烧室内的燃烧特性,并分析了截面突变尺寸和入口流速对于燃烧过程的影响.结果表明:采用截面突变的结构使得氢气和氧气混合更充分,燃烧更完全,并能提高微燃烧室内的流体温度;增加截面突变的尺寸,可以增加混合气在微燃烧室内的驻留时间,即使在较低入口流速下也能获得较高的燃烧室内部温度;在较低流速下,增加截面突变的尺寸,微燃烧室内的高温区域更宽;入口流速的增加导致氢气转化率降低,燃烧室内截面突变有利于缓解入口流速增加引起的氢气转化率下降的趋势.     

超低浓度甲烷气体催化燃烧数值模拟

使用FLUENT软件对超低浓度甲烷气体在壁面涂有Pt/Al2O3催化剂的蜂窝型燃烧器微通道中的催化燃烧情况进行数值模拟,计算分析入口甲烷浓度,催化壁面温度以及燃料入口流速对甲烷转化率的影响。结果表明,随着入口甲烷浓度的增大,催化壁面温度的升高和燃料入口速度的降低,甲烷转化率会增大。当燃料入口流速为0.1m/s,甲烷体积浓度为1%,壁面温度为950K时,甲烷转化率可以达到97.0%。     

空间反应和入口速度对甲烷催化反应的影响

为研究微尺度催化燃烧的规律,联合使用计算流体力学软件FLUENT和计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHEM对微型直通道中甲烷/空气预混气体在镀Pt热表面上的催化燃烧进行了数值模拟。假定燃料混气入口当量比为0.4和1.0,入口速度为0.08～0.64m.s-1。计算结果表明:在微尺度条件下,空间反应对表面催化反应的影响可以忽略,表面催化反应对空间反应有一定的抑制作用;混气入口速度的提高会抑制表面催化反应,但如果相应增加催化剂量,提高混气入口速度将促进表面催化反应。     

三维集成微系统散热微通道均温性研究

针对微通道流体流动方向壁温温度梯度较大、热失配应力较大,从而导致三维集成微系统可靠性降低的问题,以数值计算的方式分析在不同流速(0.3～0.7 m/s)下4种热沉结构的均温特性。研究结果表明:混合式微通道热沉(H-MCHS)均温性最好,入口流速V_(in)=0.3 m/s时,壁温标准差σ=2.09 K。增加入口流速可改善均温性,流速从0.3 m/s增加到0.7 m/s时,H-MCHS壁温标准差σ减小50.70%。     

环形微细腔内甲烷催化转化效率的数值模拟

甲烷在微燃烧器内存在燃烧效率不高、燃烧不稳定等问题。为了研究微尺度下甲烷持续稳定燃烧的性能,采用催化燃烧方式对环形微细腔内甲烷与空气混合物在铂催化表面上的催化燃烧进行了数值模拟,研究了甲烷当量比、壁面温度对微通道内甲烷与空气混合物催化燃烧的甲烷转化效率的影响。结果表明,甲烷当量比、壁面温度对甲烷转化率有重要影响,通过催化可以促进甲烷在环形微细腔内的稳定燃烧。为了获得较高的甲烷转化效率,微燃烧器入口的甲烷当量比在0.8~1.0范围内较为合理,温度是影响环形微细腔内甲烷催化燃烧的主要因素,尤其在甲烷当量比较低时,温度的提高对甲烷的催化转化有更好的促进作用。甲烷的质量流量为6.5 g/h时,甲烷催化转化效率可达77%。     

壁面参数对甲烷微尺度催化燃烧的影响

采用计算流体力学方法对微通道中甲烷/空气预混气体在铂催化剂作用下的表面反应及散热特性进行了数值研究。3维模型采用详细的表面基元反应机理,并考虑了壁面与流体区域的耦合传热、壁面内的导热及壁面与外界环境间的对流、辐射换热等传热过程。计算结果显示：导热系数会极大地影响壁面温度的均匀性,外壁面的对流换热系数及发射率则是决定微燃烧器热量损失的关键因素。增大壁厚虽然可以减小单位面积散热,但是会增加总的热量损失。热量损失的大小会改变微通道中燃料的反应速度和停留时间,从而对甲烷的转化率造成影响。研究表明：在构建微燃烧器时宜采用具有较大导热系数的材料,同时采用多种方法来降低壁面热量损失。     

微型凹腔燃烧器内氢气/空气的预混燃烧特性

使用计算流体动力学软件FLUENT,并采用详细的化学反应机理,对当量比为0.5的氢气/空气预混气在带凹腔的平板型微通道内的燃烧特性进行了数值模拟.探讨了进气速度和凹腔的长深比对微通道内的温度场、燃烧效率和排烟温度的影响.计算结果表明:随着进气速度的增大,火焰被吹向下游,并且使火焰变得狭长,这会使得壁温分布更加均匀;在同一长深比下,燃烧效率随着进气速度的增加而降低,而排烟温度随着进气速度的增大先升高后降低;当长深比从1增大到3时,增大凹腔的长深比能拓展吹熄极限;长深比从3增大到4时,其吹熄极限相同.     

不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性

构建了微尺度条件下含黏性热耗散和压力功的总能形式的双分布函数格子Boltzmann(LB)模型,计算并分析了恒壁温与恒热流边界条件下,稀薄效应对速度驱动的平直微通道内气体流动与传热特性的影响.结果表明:在不同的热边界条件下,稀薄效应对微通道内气体流动特性的影响一致,即均使得气体流速增大,通道摩擦系数减小;由于气体温度场分布的差异,使得稀薄效应对气体传热特性的影响截然不同,在恒壁温边界条件下气体传热特性有所提高,而在恒热流边界条件下气体传热特性有所减弱.     

微通道截面形状对冷凝传热特性的影响

实验研究水蒸气在水力直径为1 mm的半圆形微通道内的冷凝传热特性,获得微通道冷凝传热系数随着质量流速的变化规律。运用计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立半圆形微通道物理模型,以实验数据验证数值方法的有效性。以甲烷作为相变介质,数值分析了气态甲烷在矩形、半圆形与三角形不同截面形状微通道内冷凝传热过程。结果表明:微通道的压降和传热系数随质量流速的增大而增大;质量流速一定时,相比矩形和半圆形微通道,三角形微通道的压降和冷凝传热系数更大。     

滑移流区微环缝通道单侧等壁温加热下的换热

对滑移流区微环缝槽道中单独内侧及单独外侧等壁温加热条件下的换热特性进行了理论研究,求解了带温度跳跃边界条件的能量方程,讨论了稀薄效应,内外戏比对等壁温加热条件下微环缝槽道内换热特性的影响,结果表明：滑移流区微环缝通道内的Nu数明显低于连续流区,且随着Kn数的增加,Nu数减小;Nu数随内外径比r^*的变化趋势与连续流区相似。     

燃烧室热边界对微型发动机瞬态燃烧特性影响数值分析

为了研究燃烧室热边界对微型内燃机微燃烧特性的影响,以指导燃烧室设计,采用层流有限速率模型对微燃烧过程进行了仿真。首先对仿真结果开展了有效性分析,探讨了网格尺寸、时间步长、步长内最大计算步数3个建模因素对仿真结果的影响,结果表明仿真与实验比较吻合。在此基础上探索了散热系数、壁面厚度和材料3个参数对燃烧特性的影响。结果表明,散热系数对燃烧特性有较明显的影响,散热系数从0增加到55 W／（m2·K ）时,压力升高率减小,着火点延后,最高压力值下降了2个大气压。壁面厚度和材料对燃烧特性影响不大,分析表明这是由于在热量从缸内传到外界环境的热流路径中主要传热热阻是外壁面与环境之间的对流换热热阻所致。     

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.     

微通道中颗粒惯性聚集的力学特性

为揭示微通道内悬浮颗粒惯性聚集现象的机理,基于相对运动原理,利用数值方法研究了单个球形颗粒在方形微通道中的运动状况,并对颗粒的受力特性进行分析.研究发现:较小粒径的颗粒在较高通道雷诺数下可产生惯性聚集现象,但其受到的惯性升力在通道截面横向位置分布具有很大的波动性;惯性聚集位置随通道雷诺数的增大向通道壁面移动,随颗粒粒径的增大向通道轴心移动;颗粒旋转产生的旋转诱导惯性升力使惯性聚集位置向通道壁面移动.惯性升力分为旋转诱导升力和由剪切诱导升力及壁面诱导升力合成的非旋转诱导升力,而后者是惯性升力的决定性部分.     

微元管催化燃烧过程中燃烧特性分岔分析

运用分岔理论对微元管催化燃烧过程进行了详细的分岔分析,采用了一种比较理想的简化模型——短体蜂窝状模型(SM模型),同时微元管中气体流动采用了层流模型.分别以径向Thiele数及滞留时间为分岔参数对微元管催化燃烧过程中混合气的着火与熄火特性进行了详细分析,同时,详细讨论了B、P、Lef及s对混合气燃烧特性的影响.结果表明当以径向Thiele数为分岔参数时,随着Lef减小或B、P增大,主体气流与催化剂表面混合气的着火点与熄火点之间的非稳定区域将变宽;当以滞留时间为分岔参数时,随着s及B减小或Lef增大,催化剂表面混合气的着火点与熄火点之间的非稳定区域将变窄.     

中间辐射体对加热炉内传热过程影响的数值模拟

针对黑体定向辐射技术节能的机理问题，以实验室规模具有中间辐射体的室状加热炉为研究对象，建立了具有中间辐射体的物理模型，以CFD商业计算软件Fluent建立平台计算黑体定向辐射条件下的气体流动、传热、燃烧的三维耦合数学模型，并根据实验结果对数学模型进行验证.研究结果表明:中间辐射体的加入改变了炉体燃烧室内的流动情况及炉墙对钢坯固体辐射的比表面积，分别从气体辐射及固体辐射角度增强了钢坯表面辐射换热强度，燃烧温度降低20K左右，钢坯加热速度提升16.7%，钢坯表面最高温度提升40K.加热效率的提升带来了更好的节能效果.     

分-合式微通道流动传热性能数值模拟

针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀，以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范围较窄的问题，结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用Fluent软件对散热过程进行数值模拟，研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明，在100 W/cm²的热流密度下，Re为970、分支倾斜角度为90°时，分-合式微通道平均温度降低了11.9 K,最高温度降低了14.2 K,Nu增加了85.7%,整体传热性能(PEC)也最佳，达到1.44。分支的引入可以增加微通道内部换热面积，同时形成新的边界层，在分支内侧产生漩涡，有效提高了微通道散热器的传热性能，为微通道的优化设计提供了新的理论依据。     

某型发动机高空、低速下燃烧室冷却性能分析

通过对某型发动机燃烧室火焰筒在高空、低速条件下的流量分配、沿程参数和壁温分布计算，对该型发动机燃烧室的冷却性能进行分析研究。结果表明：在高空条件下，火焰筒同一轴向位置的壁温随马赫数的增大而升高；气膜冷却有一定的冷却保护有效长度，使得火焰筒壁温沿轴向分布呈锯齿形。     

一种新型微热流陀螺仪的结构参数研究

提出了一种基于双向流体检测角速度的微热流陀螺仪.不同于射流偏转工作方式,它采用对称分流通道结构,利用哥式力引起对称分流通道的流量不同,导致流体与布置于分流通道内的热敏器件对流传热不同,通过检测热敏器件的温差获得角速度.采用计算流体动力学(CFD)模型计算并分析了不同结构参数(主通道长、宽、高,主通道张角,两分流通道角度,拐角的过渡圆弧,分叉尖角的圆弧倒角)对检测灵敏度的影响.结果表明使流体速度充分偏转和减小分流通道流动阻力有利于提高检测灵敏度.