小尺度射流扩散火焰特性的实验研究和数值模拟

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1、硕士学位论文小尺度射流扩散火焰特性的实验研究和数值模拟作者姓名罗燕来学科专业工程热物理指导教师甘云华副教授所在学院电力学院论文提交日期2015年6月Experimentalandnumericalinvestigationonthecharacteristicsofthesmall-scalejetdiffusionflameADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LuoYanlaiSupervisor：Asso.Prof.GanYunhua

2、SouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TK16学校代号：10561学号：201220110214华南理工大学硕士学位论文小尺度射流扩散火焰特性的实验研究和数值模拟作者姓名：罗燕来指导教师姓名、职称：甘云华副教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：工程热物理研究方向：微尺度燃烧论文提交日期：2015年6月1日论文答辩日期：2015年6月7日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：梁德青委员：刘金平杨敏林甘云华楼波摘要

3、由于基于燃料燃烧的微动力机电系统具有高能量密度的特点，此类系统的需求不断增加，近十年来成为国内外研究的热点。研制体积小、重量轻、能量密度高且能够持续供能的微能源系统具有重要的意义。作为微能源系统的核心，微型燃烧器与大尺度燃烧器相比，存在表面积/体积比较大、热损失增加、停留时间短等特点，微火焰燃烧稳定性等特性的影响因素就成为了国内外研究人员关注的重点对象。液体燃料的燃烧过程相较气体燃料更复杂，但具有更高的能量密度，更适用于微型燃烧器。本文以液体乙醇为燃料，通过实验研究和数值模拟相结合的方法分析了燃烧器喷管管

4、径、燃料流量、电辅助加热以及外加直流电场等因素对乙醇小尺度扩散火焰形态、温度、稳定性等特性的影响，探讨了液体燃料在微小尺度下的燃烧机理。在数值模拟过程中，采用Fluent6.3模拟计算软件建立了二维对称数值燃烧模型。数值模拟结果与实验结果吻合良好，验证了本文数值模拟结果的准确性。结果表明，液体乙醇流量从零开始增加，整个变化过程会经历五个阶段，同时小火焰温度逐渐升高。当燃烧器喷管管径减小时，火焰逐渐变小。在稳定燃烧阶段，随着乙醇燃料流量的增加，燃料整体高温蒸发量增大，小火焰温度升高、火焰高度增大；随着燃烧器

5、喷管管径减小，无量纲热损失增大，小火焰温度降低、火焰高度减小。使用电辅助加热的方法可减少小火焰的散热损失，提高小火焰温度，化学反应速率增大，火焰中心向上游移动。而在直流电场作用下，小火焰尺寸变小，温度升高，速度场、组分分布、化学反应等均有变化。适当调整燃料流量和燃烧器喷管管径，或者采用合适功率的电辅助加热，抑或外加适当的电场强度，均有利于增强小火焰的稳定性。通过外加电场改变小火焰特性消耗的电功率很小，具有应用前景。论文探讨了不同影响因素对乙醇小尺度扩散火焰特性的作用规律，并借助模拟软件分析了小火焰燃烧的内

6、部变化，为新型微燃烧器结构和实验系统的优化设计提供了技术参考。关键词：液体乙醇；微尺度燃烧；扩散火焰；火焰稳定性；电场IAbstractMicroElectronicMechanicalSystemwhichisbasedonthefuelcombustionhasthecharacteristicsofhighenergydensity.Therequirementforsuchsystemsisincreasing.Overthepastdecade,researchesinthisareaarebe

7、cominghotathomelandandabroad.Developmentsofmicroenergysystemswhicharesmallsize,lightweight,highenergydensityanditcanbesustainedforenergyhaveimportantsignificance.Comparedwiththelarge-scalecombustor,themicrocombustor,whichisthecoreofthemicroenergysystem,ha

8、ssomedifferentcharacteristics,suchastheratioofsurfaceareatovolumeisrelativelylarge,heatlossincreasing,shortresidencetime,andsoon.Theeffectoffactorsonmicroflamestabilityandothercharacteristicsarethefocusofattentionof