微細(xì)通道中多種效應(yīng)的耦合作用對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響.pdf

1、微燃燒器的尺寸很小，面體比很大，這分別使得燃料停留時(shí)間很短和散熱損失很大，從而導(dǎo)致火焰易失穩(wěn)和熄滅。為提高微小尺度下火焰穩(wěn)定性，采用經(jīng)典的流體回流和熱回流穩(wěn)燃方法，開發(fā)了微小鈍體和凹腔燃燒器及帶平板穩(wěn)燃器的微小熱回流燃燒器。對(duì)這些燃燒器內(nèi)多種效應(yīng)（傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)）的耦合作用對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。
　　本文首先研究了微小鈍體燃燒器內(nèi)氫氣預(yù)混火焰燃燒特性，結(jié)果表明鈍體后形成的回流區(qū)能很好的錨定火焰，使

2、得火焰穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，從而得到較大的火焰吹熄極限。然后考察了鈍體的幾何參數(shù)和壁面材料對(duì)火焰吹熄極限的影響。鈍體形狀對(duì)火焰吹熄極限的影響較大，這主要是因?yàn)殁g體形狀對(duì)回流區(qū)大小和火焰鋒面所受剪應(yīng)力影響較大。鈍體大小對(duì)吹熄極限也有顯著影響，結(jié)果表明吹熄極限隨阻塞比的增大而增大。這主要是因?yàn)檩^大鈍體后的回流區(qū)較大，從而使得其吹熄極限也較大。對(duì)于由石英、不銹鋼和SiC制成的微小鈍體燃燒器，石英燃燒器的吹熄極限最大，而SiC燃燒器的吹熄極限最小，這

3、時(shí)吹熄極限主要由流場和散熱損失的耦合作用決定。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)有無鈍體燃燒器內(nèi)的甲烷預(yù)混火焰進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在無凹腔的直通道內(nèi)只能觀察到傾斜火焰，而微小鈍體燃燒器在較大進(jìn)氣速度時(shí)依然能出現(xiàn)穩(wěn)定對(duì)稱的火焰，其吹熄極限是無鈍體燃燒器的兩倍左右，這些說明鈍體穩(wěn)燃效果良好。當(dāng)進(jìn)氣速度較大時(shí)，火焰會(huì)發(fā)生夾斷現(xiàn)象而吹熄。研究了微小凹腔燃燒器內(nèi)氫氣預(yù)混火焰燃燒特性。結(jié)果表明凹腔內(nèi)形成的回流區(qū)、低速區(qū)和下游壁面附近的邊界層能增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。當(dāng)進(jìn)

4、氣速度增大到一定程度時(shí)，火焰頂部會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象，為便于定量比較定義了火焰分裂極限。由于凹腔內(nèi)回流區(qū)和低速區(qū)的大小隨長深比的增大而增大，這使得火焰分裂極限也隨之增大。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和通道間距對(duì)火焰分裂極限也有顯著影響，結(jié)果表明火焰分裂極限隨導(dǎo)熱系數(shù)和通道間距的增大都是先增大后減小，分析表明此時(shí)火焰分裂極限主要由傳熱和流場的耦合作用決定。適中大小的導(dǎo)熱系數(shù)和通道間距有利于此燃燒器內(nèi)的火焰穩(wěn)定性。對(duì)微小凹腔燃燒器內(nèi)甲烷預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行了實(shí)

5、驗(yàn)研究。結(jié)果表明在微小凹腔燃燒器內(nèi)易出現(xiàn)穩(wěn)定對(duì)稱的火焰，且其吹熄極限是相應(yīng)火焰燃燒速度的數(shù)倍，這些說明凹腔有很好的穩(wěn)燃能力。分析表明凹腔內(nèi)的低速區(qū)、壁面的預(yù)熱作用和凹腔內(nèi)局部當(dāng)量比較大的區(qū)域這三者的耦合作用有利于火焰的穩(wěn)定性。當(dāng)進(jìn)氣速度較大時(shí)，火焰鋒面在凹腔斜壁面與隨后水平壁面之間的拐點(diǎn)處被拉斷而被吹出燃燒室而發(fā)生熄滅。另外，通過改變壓力、材料的導(dǎo)熱系數(shù)和通道間距進(jìn)一步研究了燃燒化學(xué)反應(yīng)、傳熱和流場的耦合作用對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明

6、火焰吹熄極限隨著壓力的增大先增大后降低。這主要是因?yàn)閴毫m中時(shí)的火焰根部的錨定能力較強(qiáng)，且火焰鋒面所受剪應(yīng)力較小。而吹熄極限隨導(dǎo)熱系數(shù)的增大先減小后增大，這主要是因?yàn)椴煌瑢?dǎo)熱系數(shù)時(shí)熱回流效應(yīng)的差異使得火焰鋒面與拐點(diǎn)的距離隨導(dǎo)熱系數(shù)的增大先增大后減小。此外，通道間距的變化也會(huì)顯著改變傳熱效應(yīng)。由于通道間距較大時(shí)對(duì)來流氣體的預(yù)熱作用較好，火焰根部的散熱損失也較小，使其吹熄極限較大。為了更好地發(fā)揮流體回流和熱回流各自或耦合的優(yōu)勢，開發(fā)了一種帶