带隔板微燃烧室内甲烷和空气的预混合燃烧研究

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微尺度燃烧的研究对于丰富燃烧理论有着重要的科学意义,同时为微动力系统的发展提供了技术支持。本文在调研国内外相关研究工作的基础上,设计了一种带隔板的微燃烧室,并对其内部预混合CH4/Air进行了燃烧试验,分析了隔板位置、隔板间距、隔板材料和外部壁面加热对燃烧过程的影响规律。  本研究主要内容包括:⑴搭建了可进行壁面辅助加热的可视化微燃烧实验测试平台,并加工了多种带隔板的燃烧室,对火焰状态和燃烧室壁面温度进行了观测。对不同流量和当量比下燃烧室内预混火焰的演变过程、可燃界限和壁面温度进行了测试。同时,建立了微尺度下甲烷和空气燃烧的数值计算模型,并进行了试验验证。⑵通过试验方法分析了隔板位置、隔板间距和隔板材料对燃烧室可燃界限及壁面温度分布的影响。结果表明:隔板的加入会增大火焰进入燃烧室的难度。隔板布置在出口处,火焰进入燃烧室的难度最大,且在高流量下无法在燃烧室内燃烧,但在小流量时火焰熄灭时对应的当量比最小。当隔板间距为2mm时,火焰无法进入隔板之间。当隔板间距为4mm时,CH4/Air预混火焰进入燃烧室时需要的空气量较少,且火焰在燃烧室内稳定性较好。相对于使用不锈钢作为隔板材料,采用高导热性的催化材料Pt制作隔板能拓宽可燃界限,并提升燃烧稳定性。⑶通过试验方法研究了壁面辅助加热对可燃界限的影响。结果表明:流量一定的条件下,随着壁面加热温度升高,预混火焰进入燃烧室时所对应的当量比增加,且火焰吹熄时对应的当量比减小。壁面温度为常温时,隔板采用Pt材料的燃烧室甲烷流量超过89sccm,即使当量比为1.0时火焰也不能进入燃烧室;壁面温度加热到400K时,在当量比为1.0,甲烷流量为98sccm的情况下,火焰仍能进入燃烧室;壁面温度加热到600K时,在当量比为1.0,甲烷流量为140sccm的情况下,火焰也能进入燃烧室,这说明随着温度的增加,燃烧室内的甲烷燃烧范围不断增大。⑷借助数值模拟方法辅助分析了壁面加热对燃烧过程的影响。结果表明:随着加热温度的升高,近加热器一侧火焰拉伸率不断增大。相对于不锈钢材料,隔板采用Pt材料时火焰拉伸较小。加热温度低于600 K时,燃烧室外壁面温度较低,且温度分布均匀性较差;当加热温度高于700K时,表面反应活性增强,燃烧室外壁面温度分布发生显著改善;加热温度在950K以上时,燃烧室内预混气体受热膨胀,反应物浓度降低,气相反应变弱。加热温度范围为750K-1050K时,燃烧转化率较高,且在加热温度为950K时达到最高值。
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