微热光电系统管式微燃烧器性能影响及优化研究

作者：左威

来源：博士, 湖南大学, 2018.

• 微热光电系统
• 管式微燃烧器
• 氢气/空气
• 预混燃烧
• 传热
• 燃烧特性
• 优化

近年来,随着微机械制造技术的发展和提高,人们已经能够制造出种类繁多和应用广泛的微电子机械系统,如微型卫星推进器、微型传感器、微型飞行器、微型医疗器械、微型泵和微型马达等。这些微电子机械系统在国防军事和民事方面的应用,提高了国家的国防力量和人民的生活质量。目前,这些微机械电子系统都由传统的能源动力系统驱动,但是这些传统的能源动力系统存在能量密度低、体积大和续航时间短等缺点。因此,人们渴望具有体积小、重力轻、密度能量高和持续时间长等优点的微能源动力系统,为这些微机械电子系统提供持续可靠的能源动力,而以氢气或碳氢燃料燃烧为动力的微能源动力系统是一种可行的解决方案。微热光电系统结构简单且没有运动部件,是目前应用前景比较好的微能源动力系统。微燃烧器作为微热光电系统最重要的结构部件之一,是微热光电系统实现燃料化学能到电能转换的关键。微燃烧器燃烧和传热性能的提高是实现微热光电系统高能量密度和高能量转换效率的前提。本论文以国家自然科学基金面上项目[51176045]、[51676066]和国家留学基金委高水平公派研究生项目“新型圆管微燃烧器燃烧过程热流协同优化机理研究”[201606130020]为依托,采用理论与数值模拟相结合的方法研究管式微燃烧器内预混氢气/空气火焰的燃烧和传热特性,其研究成果不仅对提高微热光电系统的热光电转换效率具有重要的指导意义,而且对微燃烧器的优化提供理论基础和参考价值。本文的主要工作和创新点如下所示:（1）为研究不同因素对微热光电系统管式微燃烧器性能的影响,采用正交实验设计和模糊灰色关联理论分析研究不同因素（氢气/空气当量比、氢气质量流率、壁面导热率以及壁面发射率）对圆管微燃烧器发射效率和燃烧效率的影响。结果表明,在这4个因素中氢气/空气当量比对圆管微燃烧器发射效率的影响最大,而壁面发射率对圆管微燃烧器燃烧效率的影响最大。因此,为充分提高圆管微燃烧器的辐射性能和燃烧性能,圆管微燃烧器设计有必要首先考虑氢气/空气当量比和壁面材料的发射率。（2）为强化圆管微燃烧器的传热性能,提出了具有矩形肋的圆管微燃烧器,并且在不同氢气/空气当量比和氢气质量流量下比较具有矩形肋的圆管微燃烧器和没有矩形肋的圆管微燃烧器的平均外壁面温度和外壁面温度差。结果发现具有矩形肋的圆管微燃烧器具有更高和更均匀的外壁面温度。这是由于圆管微燃烧器内部插入矩形肋,在肋后方形成了回流区,强化了圆管微燃烧器内壁和燃烧火焰之间传热。然后研究了矩形肋位置和高度对圆管微燃烧器外壁面温度的影响。结果发现,当无量纲肋位置固定不变且超过4/9时,平均外壁面温度随着无量纲肋高的增大而增大,而外壁面温度差随着无量纲肋高的增大而减小。当氢气质量流量和氢气/空气当量比分别为5.25×10-7 kg/s和1.0,无量纲肋高和位置分别为0.4和5/9的圆管微燃烧器具有最高和均匀的外壁面温度（wT=1284.63K和（35）（?）w=61.01K）。最优的无量纲肋位置与入口氢气/空气混合气体速度有关,并且随着入口氢气/空气混合气体速度的增大而增大。（3）为强化圆管微燃烧器的传热性能,提出了渐扩型圆管微燃烧器,并且在不同氢气/空气当量比、氢气质量流量、壁面材料以及入口/出口径比下比较渐扩型和突扩型圆管微燃烧器的平均外壁面温度和外壁面温度差。结果发现,在不同氢气/空气当量比、氢气质量流量、壁面材料以及入口/出口径比下渐扩型圆管微燃烧器的外壁面温度更高和更均匀,有利于提高微热光电系统的能量转换效率。（4）为了解管式微燃烧器横截面对氢气/空气预混火焰的燃烧特性影响,比较研究了不同氢气质量流量和氢气/空气当量比下圆管和椭圆管微燃烧器内氢气/空气预混火焰的燃烧特性。然后,深入分析研究了椭圆管微燃烧器燃烧室横截面的长/短轴长比对燃烧特性的影响。结果发现,椭圆管微燃烧器有更大的压力损失和自然对流热损失率,但是它也有更大的发射效率和燃烧效率。因此,如果有效利用椭圆管微燃烧器的优点,可以提高微热光电系统的能量转换效率。（5）为提高微热光电系统的总输出功率,提出了顺流式和逆流式双通道微燃烧器,并在不同氢气质量流量、氢气/空气当量比和壁面材料下比较这两种双通道微燃烧器的外壁面平均温度及其均匀性。结果发现,顺流式和逆流式双通道微燃器的平均外壁面温度差别不大,但是逆流式双通道微燃器外壁面温度的均匀性高于顺流式双通道微燃器。这是由于在逆流式双通道微燃烧器中两个独立火焰的中心距离大于顺流式双通道微燃烧器中两个独立火焰的中心距离。为保证逆流式双通道微燃烧器的优势,每个燃烧通道的氢气质量流量应低于7×10-7kg/s,氢气/空气当量比应高于0.7,而微燃烧器的壁面材料最好选择高导热率的不锈钢和碳化硅。（6）为扩展逆流燃烧在多通道微燃烧器优化设计中的应用价值和范围,将逆流燃烧应用于单层四通道微燃烧器和双层四通道微燃烧器,并在不同氢气质量流量、氢气/空气当量比和壁面材料下比较不同构造的单层四通道微燃烧器和双层四通道微燃烧器的外壁面平均温度及其均匀性。结果表明,无论是单层四通道微燃烧器还是双层四通道微燃烧器,其外壁面温度分布主要受内部燃烧通道放置方向决定,微燃烧器内逆流燃烧通道增多,外壁面温度更加均匀。在不同氢气质量流率、氢气/空气当量比和壁面材料下,纯逆流单层四通道微燃烧器和纯逆流双层四通道微燃烧器分别是平板型和立体型四通道微燃烧器的最佳设计方案。

• 单位
  湖南大学