微小型凹腔燃烧器中贫燃H_2/空气火焰尖端分裂的形成机理研究

由于微尺度燃烧器比表面积相比常规尺度要增加2-3个数量级,其带来的散热及滞留时间短的问题会使微小尺度燃烧不稳定。在提高微小尺度下燃烧效率的方法中,微小尺度凹腔燃烧器被认为是很有效的一种结构。凹腔产生的低速区、回流区可以有效地锚定火焰。然而在燃烧过程中,贫燃氢气火焰随着入口速度的增加会出现火焰尖端分裂现象。本文基于微小尺度凹腔燃烧器,研究了拉伸率,回热效应,Lewis数效应等因素对贫燃氢气火焰尖端分裂现象的影响。本文通过数值模拟计算研究了凹腔燃烧器的结构,如凹腔深度与凹腔出口壁面倾斜角度,对燃烧效率与火焰尖端分裂的影响。对燃烧器凹腔深度的研究表明在低入口速度下,燃烧效率随凹腔深度的增加而增加,高入口速度下则相反。这是由于在入口速度较小时热损失与回热效应对燃烧效率的影响较大;而在较大的入口速度下,滞留时间与拉伸率效应占主导地位。在研究凹腔出口壁面倾斜角度时发现,对于夹角为90°的直角凹腔燃烧器和135°的倾斜壁面凹腔燃烧器,由于凹腔内回流区更大,燃烧高温区范围更大,直角凹腔燃烧器在入口速度较小时燃烧效率较大,而在高入口速度下,直角凹腔燃烧器的火焰在凹腔出口拐角处易被吹断,因而倾斜壁面凹腔燃烧器的燃烧效率更高。其次,通过改变气体混合物的入口条件,如入口温度与压力,可以改变混合物的物性,有效Lewis数,绝热燃烧温度等性质。有效Lewis数的增加会使火焰尖端分裂现象减弱,减少氢气从火焰尖端的泄漏。绝热燃烧温度的增加会使燃烧器内平均温度升高,同时提高燃烧反应速度,增加氢气的消耗速度。而入口压力由1.0 atm降到0.5 atm的过程中,在较高入口速度下,随着入口压力的降低,氢气的燃烧效率出现了先上升后下降的非单调变化。这是由于压力相对较高时,氢气的反应速率会随着反应压力的降低而升高,而在压力降低到0.5 atm时,气体密度降低,燃烧产热很少,热损失的突然升高使燃烧速率大大降低。混合物物性的变化可能会影响到基元反应的启动与反应速率,影响氢气燃烧在火焰尖端的稳定性。增加氧化剂中氧气的浓度可以显著改善微小尺度凹腔燃烧器中火焰尖端分裂的现象,而将氧化剂中的稀释剂由原来的N_2改为He之后,Lewis数,绝热燃烧温度都随之增加,拉伸率随之减小,火焰尖端分裂现象得到抑制。最后,对燃烧器的热管理方式也进行了研究。对燃烧器外表面发射率的研究中,结果表明将发射率降低会使燃烧效率得到提升。这主要是由于发射率的降低会在降低燃烧器热损失的同时,加强燃烧器的回热效果。而以高导热系数材料作为内层,低导热系数材料作为外层的双层壁面燃烧器,对保温效果与燃烧器的回热效果都有较好的利用。因此,用适当的材料组成双层壁面对燃烧器的散热与热循环进行优化可以有效提高燃烧效率,并在较高的入口速度下可以有效地减弱尖端分裂现象。