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微尺度燃烧及其热电转化基础研究
中文名称: 微尺度燃烧及其热电转化基础研究
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论文编号: 3122387收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Mechanism Study on Mocro-combustion and Thermoelectric Transformation
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 工程热物理
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 微尺度燃烧 燃烧特性 微型燃烧器 电转化 燃烧器 温度 气流量
简介目录: 点击此处 免费索取本论文简介和目录>>
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论文简介:微尺度燃烧是随着MEMS技术的发展,为了满足可携带电子设备的长时间供电和国防上微小型高性能动力源和电源的需求而开展研究的。由于开展研究时间较短,还有许多科学和技术难题需要去攻克。 本文的研究主要是围绕着微尺度燃烧的燃烧特性和产生能量的利用转化而展开的。首先考虑熄火距离的影响建立了火焰燃烧模型;然后对微尺度下的燃烧进行了相关实验研究以了解其燃烧特性;接着对微尺度下数值模拟方法在燃烧方面的应用给出了作者的看法;随后对微尺度燃烧产生能量的利用进行了实验性研究;最后给出了设计新型微尺度燃烧器的思路并给出了一种新型微尺度燃烧器的MEMS加工工艺。 在考虑熄火距离影响的基础上建立了二维火焰燃烧模型,通过对模型的定性分析,表明在微尺度燃烧中容易发生熄火和吹熄,不容易发生回火。考虑熄火距离的影响,对火焰传播速度通过两种方法进行了理论分析。给出了考虑熄火距离后火焰传播速度的表达式,分析表明在微尺度下熄火距离是影响火焰传播的重要因素,同时熄火距离和火焰传播速度在微尺度下相互作用,使燃烧向着不利于稳定的方向发展。 对微尺度下燃烧进行了实验性研究,采用具有稳定燃烧的T型微细管道研究了预混氢气-空气在微尺度条件下的燃烧。在适当的当量比下,预混气在T型管道中一定的混合气流速下可维持长时间稳定燃烧。燃烧中最高温度发生在空气稍微过量的条件下。在一定当量比、能够稳定燃烧情况下,火焰温度随燃料气流量的增大而升高。由于散热的影响,氢气或空气流量小时容易发生熄火。管道散热比例很高,一定条件下只考虑水平管道部分外壁的散热就占反应放热的1/3左右。与大尺度燃烧相比,管道中的燃烧着火浓度范下限影响不太大,而上限降低。在氢气流量一定时,燃烧效率在完全燃烧当量比附近存在峰值,最高燃烧效率接近100%。 在实验条件下,混和气流速较高时燃烧会发声,随着流量的增加,管内燃烧对应的最大声级有逐渐增强的趋势,而且较大的波峰的数量随流量的增加而减少。同时时域分析显示声音的波动振幅在较大的流量下一般较大。 在针对热电转化设计的三种燃烧器中,氢气一空气都能在其中稳定燃烧,相同材料的不同燃烧器,容积热负荷高的壁面温度较高。不同材料的燃烧器,其材料的导热能力较强的,散热较强。同一种燃烧器中,预混燃烧比扩散燃烧温度高,但扩散燃烧易于控制火焰位置,而且不易发生回火。由于丙烷的体积能量密度较高,相同燃料流量的丙烷-空气要比氢气-空气燃烧的温度高。 在微尺度管道内对烷烃加氢及催化燃烧进行了实验,甲烷和乙烷在管道内不能被直接点燃。在烷烃燃料中加氢有利于点火,同时铂铑热电偶催化了烷烃燃烧。 当管道温度很低时,甲烷即使在有热电偶丝的情况下也不会发生明显的催化作用。但当温度达到其阈值一~起燃温度后,甲烷开始发生催化反应。当φ接近1时,甲烷和氢的燃烧效率达到最大值。管壁的温度随着混合气流速的增加而升高,但温度的升高和速度的增加不成比例,前者的增加比后者慢。当速度很高时,火焰将会被吹熄。 在实验中,发现通过氢气点火后再加入烷烃燃料燃烧,在有热电偶丝的情况下,随着反应的进行,减小氢气的流量到没有时,管道内依然能够发生反应。这对微尺度燃烧具有重要的意义,因为这说明氢气在反应中只起到点火的作用,而在随后的反应中可以没有氢气的参与。这样对于微尺度燃烧器的应用中就可以通过携带烷烃燃料气和少量的氢气来作为气燃料。 本文根据前期的实验对微尺度下的燃烧进行了数值模拟,对微尺度燃烧的数值模拟提出了自己的看法,认为用传统临界雷诺数来区分燃烧中层流和紊流会导致较大的计算偏差。在一定的条件下,三维紊流模型更接近于真实情况。由于理论模拟值没有考虑熄火距离的影响,会导致在微尺度燃烧中温度偏高。对设计的一种燃烧器的模拟表明预混燃烧方式和扩散燃烧方式相比,它的表面温差较小,表面温度分布相对均匀。 对微型燃烧器内产生的热能通过热电转化途径转化为电能进行了实验研究。实验中得到了流量、温度、输出电压和热电转化效率间的关系并给出改进实验的思路。发现在实验条件下燃烧器壁面温度随流量呈正比关系,输出电压和功率随流量的增大而增大,系统的能量转化效率随流量的增大而减小。通过增加热电转化表面是有效的提高总体转化效率的方法。实验中获得的最大输出电压为8.688V、最大输出功率为1367mw,最大总体转化效率为18.04%。
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