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原文传递径向微通道中非预混甲烷-空气火焰特性研究

论文题名：	径向微通道中非预混甲烷-空气火焰特性研究
关键词：	船舶动力装置;微型燃烧器;非预混燃烧;火焰特性
摘要：	随着微机电系统对高密度的能量需求日益增长，以碳氢燃料为主体的微型动力装置，凭借着其体积小且功率大的特点逐渐成为研究的重点。基于以上优势，这种微型动力设备和能量系统在船舶领域的应用中有着巨大的潜力。而微型燃烧器作为微型动力装置的核心部件，整个装置功率输出及燃烧效率的关键在于燃料能否在其中稳定燃烧。由于微型燃烧器尺寸减小会导致面容比的增大，使得火焰存在着散热损失大、驻留时间短以及各种不稳定现象等问题。这些问题严重地制约着微型动力装置的发展。因此，深入地了解火焰的基本特性对于火焰稳定性的改善显得至关重要。　　本文在调研了国内外学者相关研究工作的基础上，对径向微通道中非预混甲烷-空气火焰特性进行了研究。实验方面，设计并加工了一种新型径向微通道非预混燃烧器实验台架，研究了非预混甲烷-空气火焰在具有壁面温度梯度的径向微通道中的稳定性。数值模拟方面，建立了三维径向微通道非预混燃烧器模型，得到了流场结构在不同因素改变情况下对火焰稳定性的影响。论文主要研究内容和结论如下：　　首先，在甲烷-空气非预混燃烧过程中，选用直径为60mm、通道间距分别为2.0mm、2.5mm和3.0mm的具有壁面温度梯度的径向微通道非预混燃烧器作为研究对象，通过高速相机和数码相机，总共发现了周期性旋转火焰、稳定环状火焰、带有细胞微团的部分破碎火焰、部分破碎火焰以及周期性分裂火焰等5种不同形态的火焰模式，并详细分析了各种火焰的形态特征和转变规律。据其火焰形态和位置是否随时间而变化，将稳定环状火焰、带有细胞微团的部分破碎火焰和部分破碎火焰定义为稳定型火焰，其他两种火焰模式被定义为非稳定型火焰。同时，对径向微通道中稳定火焰的建立过程中火焰形成和稳定的两个阶段进行了详细研究。　　其次，给出了通道间距为3.0，2.5和2.0mm工况下的不同火焰模式谱图。谱图中大部分区域都被稳定型火焰模式所占据，其中稳定环状火焰所占区域最大，随着名义当量比的减小，能使火焰稳定的甲烷进气流量范围也随之减小。同时随着通道间距的减小，导致燃料驻留时间变短及散热损失的增加，使得稳定火焰模式区域逐渐变窄，而火焰的不稳定行为仍然只会出现在谱图的上/下限处。此外，还研究了稳定环状火焰的火焰平均半径、周期性旋转火焰的旋转频率随名义当量比、甲烷进气流量、通道间距变化的变化情况。结果表明：一方面，火焰平均半径随甲烷进气流量、通道间距增大而增大，随名义当量比减小而呈现出非单调性变化。另一方面，火焰旋转频率随着名义当量比的增大而增大，但随着通道间距、甲烷进气流量的逐渐减小，反而越来越大。　　最后，通过数值模拟的方法探究在不同因素影响下的燃烧器内部流场结构对火焰稳定性的影响。结果表明：随着名义当量比的减小，入口速度逐渐增大，流场结构逐渐变得较为不稳定、不对称。随着通道间距的减小，入口速度以较小的幅度增大，流场结构朝着较为不稳定的趋势变化，但总体上仍处于较为稳定状态。而当名义当量比增大时，流场结构呈现出先由较为不稳定变成较为稳定状态，随后逐渐失稳的复杂变化情况，同样的入口速度也随着先减小后增大。可以总结出，流场结构随着径向微通道内入口速度分布的增大逐渐变得较为不稳定、不对称。同时，结合燃料/氧化剂混合物质量分数Z，对各种不同火焰模式可能形成原因进行了分析，发现燃料/氧化剂混合层的扰动对火焰模式的形成有着重要影响。　　本文对径向微通道中非预混甲烷-空气火焰特性进行了系统性分析研究，得到了多种不同的火焰模式，以及通道间距、名义当量比与甲烷进气流量对火焰特性的影响。并较为详细地探讨了燃烧器内部流场结构对火焰稳定性的影响，获得了稳定型火焰出现的工况条件及范围变化规律，相关结论将为微尺度燃烧器的设计提供一定的理论依据。
作者：	邓友程
专业：	轮机工程
导师：	郭蕴华;康鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021