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。     

多孔介质界面对微流道散热器流动与换热性能的影响

本文构建了微流道散热器壁面结构流动与换热数值模型并对模型正确性进行了验证,利用该模型研究了壁面多孔介质尺度对微流道散热器压力损失、总热阻、平均努塞尔数和温度均匀程度的影响。结果表明,引入多孔介质产生的渗流效应和滑移效应可以显著改善微流道散热器的流动与换热性能,多孔介质最佳厚度占比随固体域材料的变化在0.3～0.5范围内波动。     

缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧性能的影响

为了考察缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧特性的影响规律和机理,采用层流有限速率模型耦合甲醇-硝基甲烷燃烧化学反应机理,对其燃烧过程进行了多维仿真.深入分析了缸径和压缩比对微燃烧特性的影响.仿真结果与实验结果比较一致,缸径对甲醇-硝基甲烷微型内燃机微燃烧特性影响显著.当缸径从9.00mm减小到3.38mm时,在压力上升阶段,缸内压力和温度增大;最高压力值先增大后减小,最终最高压力值下降约6×105 Pa,到达最高压力值所需时间缩短约30℃A;燃气燃烧速率也增大,完全燃烧时刻提前约40℃A.进一步分析揭示了缸径影响燃烧特性的本质机理,缸径对缸内燃烧特性的影响取决于缸内未燃燃气总量、散热损失占燃烧释放总热量比值、燃料完全燃烧时刻这3个因素.在给定参数下,实现完全燃烧临界缸径约为3.38mm.随压缩比提高,缸内压力和温度增大且最高压力值和温度值也增大.     

微型热光电系统中的微燃烧室研究

微型热光电TPV(thermo photovoltaic)系统是一种新型的微动力系(Power MEMS)，微燃烧室是微型TPV系统中最重要的部件之一．为了获得较高的电能输出，希望燃烧室壁面的温度高且分布均匀．由于微燃烧室面容比大，热损失显著增加，这会导致着火困难并使火焰淬熄．为了分析微燃烧室中燃烧的可行性和确定有关影响因素，对不同材料、不同结构的微燃烧室在不同工况下进行了实验．结果表明，在一定的流量和混合比范围内，可以在微燃烧器内维持稳定的燃烧，并在燃烧室壁面形成均匀分布的高温．     

微细直管内甲烷/氧气燃烧的实验和数值模拟

为了解微小燃烧室的工作特点,建立了微细直管的实验系统,采用氧气和甲烷气体进行了2个混合比的燃烧实验,实时采集壁面的温度分布。同时考虑微细直管内的燃烧、流动,以及与外界的换热,采用三维数值模拟方法对该微细直管燃烧室进行了数值计算,数值模拟结果与实验结果比较一致。研究结果表明,微细直管的内径较小,充分燃烧需要很长的微细直管;微细直管与外界的换热量很大,占总燃烧放热的40%左右,其中辐射换热量最大,占总换热量的70%,燃烧室需要采用低发射率的材料来减小辐射散热损失。     

碳纳米管悬浮液在微槽道热管中的应用

在稳定运行压力条件下,对水基多壁碳纳米管(MWNT)悬浮液为工质的水平轴向微槽道热管换热特性进行实验分析.结果表明：由水基MWNT替代去离子水后,热管性能得到改善,壁面平均温度明显下降;微槽道热管的蒸发换热系数最大提高80％;最大热流密度提高25％;热管总热阻下降了50%左右.运行压力对热管换热性能有明显影响,压力越小,MWNT悬浮液对换热特性的强化作用越显著.热管热阻和最大换热能力均随MWNT浓度的增加而提高,而当MWNT浓度增加到一定值后又随之下降,最佳浓度在2.0％左右.     

混合气浓度对缸内直喷汽油机微粒生成过程影响研究

通过对某475GDI发动机进行数学建模和仿真计算,分析不同混合气浓度对微粒生成过程的影响规律。结果表明随着过量空气系数的逐渐增大,也就是混合气逐渐变稀,微粒质量分数和数量浓度逐渐降低,缸内燃烧温度逐渐降低,缸内平均压力呈现先增加后减小的趋势,并且缸内的燃烧过程迟后。无论混合气浓度如何变化,高浓度混合气区域主要集中在燃烧室左右两侧靠近壁面的位置,也正是燃烧室形状最复杂、缸内气体流动状态最差的区域,易于产生微粒。     

混合气浓度对缸内直喷汽油机微粒生成过成影响研究

本文通过对某475GDI发动机进行数学建模和仿真计算,分析不同混合气浓度对微粒生成过程的影响规律。结果表明随着过量空气系数的逐渐增大,也就是混合气逐渐变稀,微粒质量分数和数量浓度逐渐降低,缸内燃烧温度逐渐降低,缸内平均压力呈现先增加后减小的趋势,并且缸内的燃烧过程迟后。无论混合气浓度如何变化,高浓度混合气区域主要集中在燃烧室左右两侧靠近壁面的位置,也正是燃烧室形状最复杂、缸内气体流动状态最差的区域,易于产生微粒。     

内置隔板对微通道内CH_4/air预混燃烧特性的影响

在微尺度燃烧室内布置隔板会引起内部流场和热传递的变化,为分析其对内部燃烧过程的影响,采用CH_4/air预混气进行预混合燃烧试验,对有无隔板2种情况下的着火界限和外壁面温度进行了测试.结果表明:相同CH_4流量下,由于散热量增大,隔板的增加会增大火焰进入通道时的空气量;隔板布置在出口时火焰更容易在燃烧室内传播,且在小流量下火焰的稳定性更好;隔板分割出的通道宽度为2 mm时,在所有当量比下均不能燃烧,隔板间距为4 mm的燃烧室内,火焰的稳定性较好;与采用不锈钢材料对比,采用Pt作为隔板材料能拓宽燃烧室的可燃界限、提高燃烧室外壁面上温度分布的均匀性.     

微细直管内甲烷/氧气燃烧的实验和数值模拟

为了解微小燃烧室的工作特点,建立了微细直管的实验系统,采用氧气和甲烷气体进行了2种混合比的燃烧实验,实时采集壁面的温度分布。同时考虑微细直管内的燃烧、流动,以及与外界的换热,采用三维数值模拟方法对该微细直管燃烧室进行了数值计算,数值模拟结果与实验结果比较一致。研究结果表明:微细直管的内径较小,充分燃烧需要很长的微细直管;微细直管与外界的换热量很大,占总燃烧放热的40%左右,其中辐射换热量最大,占总换热量的70%,燃烧室需要采用低发射率的材料来减小辐射散热损失。     

运行参数对微型内燃机微燃烧特性影响机理分析

微型内燃机微燃烧过程对当量比和转速变化非常敏感,采用层流有限速率模型和甲醇氧化反应机理对其预混层流微燃烧过程开展仿真研究,探讨当量比和转速对微燃烧特性的影响规律及临界运行参数。在此基础上,提出采用热着火理论和化学反应动力学理论探索当量比对微燃烧特性的影响机理。结果表明仿真与实验比较吻合。当量比从0.6增加到1.1时,燃烧速率增加,压力和温度增加,压力最高值增加约1.5E+6Pa,温度最大值增加约1 300K,此后随当量比增加,燃烧速率减小,压力和温度减小。研究还进一步揭示了当量比影响微燃烧特性的机理:稀燃区当量比主要通过温度变化来影响微燃烧特性,随当量比增加,燃料浓度增加,燃烧释放的总热量增加,所以温度和压力增加,燃烧速率增加;浓燃区当量比主要通过氧气量变化来影响微燃烧特性,当量比越大,氧气量越不足,基元反应速率越小,所以燃烧速率越小,温度和压力越低。转速越高,燃烧时间越短,燃烧越不充分,所以温度、压力越低。受微燃烧相对热损大、驻留时间短的特征影响,微型发动机实现完全燃烧的运行区域较窄,其实现完全燃烧的稀燃极限约0.9,最高转速约6 000r/min。这在设计微型内燃机时值得关注。     

基于FEM及KIVA的内燃机耦合部件传热建模

为了更为准确地对内燃机耦合部件三维燃烧过程进行模拟,开发了一种内燃机燃烧室耦合部件三维传热有限元法（FEM）计算程序.建立了内燃机气-固传热模型;通过将该模型应用于KIVA程序,可获取用于有限元计算的燃烧室壁面的三维瞬态燃气温度分布及对流换热系数分布.以汽油机LJ377MV为例,计算了内燃机耦合部件的稳态温度场及瞬态温度场,结果表明：壁面附近瞬态温度边界条件的不均匀性对内燃机耦合部件稳态温度分布及瞬态温度波动有着重要影响.     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

混烧锅炉富氧燃烧的数值模拟

富氧燃烧会对煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧特性产生重要影响.以130 t/h煤粉和高炉煤气混烧锅炉为研究对象,采用Fluent流体力学软件,对助燃气体(O2/N2)在3种不同氧气体积百分数(21％,23％,27％)工况下煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧过程进行数值模拟.模拟得到3种工况下:炉内的温度场分布,烟气流场特性,火焰长度.模拟结果表明:随着氧气浓度的增加,燃料着火速度更快,燃烧更稳定,出口烟温逐渐降低,炉内烟气流速逐渐减少,强化了炉内传热效果,提高了锅炉热效率.     

高焓条件下燃料点火延迟调节对超燃发动机燃烧性能的影响

为了研究燃料与空气化学反应活性变化对超燃冲压发动机燃烧性能的调节机制,本文以氢燃料为基础,基于阿伦尼乌斯反应动力学体系和不确定量化分析(Uncertainty Quantification,UQ)方法,构建点火延迟可调的燃料模型,通过一系列的数值计算,对比分析燃料在不同点火延迟特性下的超声速燃烧特性。计算结果表明：基于不确定量化分析方法能够合理地构建基于点火延迟时间的氢燃料特性变化模型;当前高焓来流环境下,随着燃料点火延迟的增加,燃烧效率并不简单的单调递减,以氢气的基准点火延迟为参照,燃烧效率随点火延迟的变化存在两个清晰的拐点,并以此构成三个不同的特征区域,说明燃料的点火延迟特性对燃烧性能起不同程度的调控作用,详细的流动机理有赖于进一步针对燃烧流动结构形成和演化过程的精细化研究。     

直线发动机起动及怠速燃烧特性仿真与优化

通过建立GT-Power发动机仿真模型研究直线发动机的起动及怠速过程的燃烧特性,利用发动机台架实验获取的缸压数据和GT-Power仿真结果的对比,验证了仿真模型的准确性,分析不同点火时刻及过量空气系数对直线发动机起动定转速下燃烧特性的影响,并对怠速控制参数进行寻优研究.结果表明:在相同过量空气系数下,推迟点火时刻从-50°(上止点之前,下同)到20°,直线发动机后燃现象逐渐增多,并在点火时刻为-40°时,缸压峰值、瞬时放热率峰值最大以及累积放热总量均达到最大值;在相同的点火时刻下,减小过量空气系数从1.62到0.62,直线发动机缸内压力峰值先增后减,在过量空气系数为0.83时,直线发动机缸压峰值、瞬时放热率峰值最大,累积放热总量较多.     

多孔表面微细结构内的蒸发换热

为了研究多孔槽道几何参数对多孔表面沸腾换热性能的影响 ,从分析多孔结构内微液膜蒸发和气液两相流的机理出发 ,借鉴微热管的研究方法 ,建立了描述多孔表面沸腾换热的细观动态模型。通过对沸腾起泡点分布的简化处理 ,进行了数值求解 ,计算结果与已有文献的实验数据一致。计算结果还表明 :对于微液膜换热 ,存在最佳液膜厚度 ,使液膜换热热阻最小。利用该模型 ,导出了多孔表面在常用沸腾工质中沸腾换热时的结构优化参数。这一模型对多孔表面微细结构的尺寸优化有理论指导作用