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首页微细直管内甲烷-氧气燃烧特性实验与数值模拟
该篇论文《微细直管内甲烷/氧气燃烧的实验和数值模拟》发表于2007年的清华大学学报(自然科学版),由李军伟和钟北京两位作者共同完成。他们的研究旨在深入理解微小燃烧室的工作特性,特别关注了在微细直管内部进行的氧气和甲烷混合气体燃烧过程。实验部分,他们构建了一套专门的实验系统,对两种不同混合比例的气体进行了燃烧测试,并实时记录了壁面温度的变化,这对于评估燃烧效率和热传递行为至关重要。 在实验过程中,他们发现微细直管的内径尺寸对其燃烧特性有显著影响。由于管道狭窄,燃料需要更长的通道才能达到充分燃烧,这可能导致燃烧效率较低。研究还揭示了微细直管与外部环境的热交换量大,占总燃烧放热量的40%左右,其中辐射换热量占比高达70%,这意味着辐射散热损失不容忽视。为了优化燃烧室性能,研究人员提出应使用低发射率材料来减少这种散热损失,从而提高能源利用效率。 同时,作者采用三维数值模拟方法对微细直管内的燃烧、流动和换热进行了细致的计算。数值模拟结果与实验数据保持了较高的一致性,这验证了所使用的数值模型的有效性,也为深入理解微细燃烧室的物理现象提供了强有力的支持。 该论文的研究内容主要集中在微小燃烧室的设计优化、燃烧过程中的传热机制以及数值模拟技术在这一领域的应用,对于推进小型化、高效能燃烧设备的设计具有实际意义。关键词包括微小燃烧室、燃烧、数值模拟、甲烷和氧气,这些关键词反映出本文的核心研究焦点。这篇论文对微细尺度下甲烷与氧气燃烧的理论研究和实践应用提供了有价值的数据和见解。
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ISSN
1000-0054
清华大学学报(自然科学版)
2007
年第
47
卷第
8
期
28/33
1370-1374
CN
11-2223/N
J
Tsinghua
Univ
CSci
&.
Tech)
,
2007
,
Vo
l.
47
,
No.8
微细直管内甲烧/氧气燃烧的实验和数值模拟
李军伟,
钟北京
(清华大学航天航空学院,北京
10008
4)
摘要:为了解微小燃烧室的工作特点,建立了微细直管的
实验系统,采用氧气和甲炕气体进行了
2
种混合比的燃烧实
验,实时采集壁面的温度分布。同时考虑微细直管内的燃烧、
流动,以及与外界的换热,采用三维数值模拟方法对该微细
直管燃烧室进行了数值计算,数值模拟结果与实验结果比较
一致。研究结果表明:微细直管的内径较小,充分燃烧需要
很长的微细直管;微细直管与外界的换热量很大,占总燃烧
放热的
40.%
左右,其中辐射换热量最大,占总换热量的
70.%
,燃烧室需要采用低发射率的材料来减小辐射散热
损失。
关键词:微小燃烧室;燃烧;数值模拟;甲烧;氧气
中图分类号:
TK
16
文献标识码
A
文章编号:
1000-0054(2007)08-1370-05
Experimental
and
numerical
study
of
methane-oxygen
combustion in a
microtube
LI
Junwei , ZHONG Beijing
(School
of
Aerospace , Tsinghua University,
Beijing 100084,
China)
Ahstract:
Two
mixture ratios of gaseous oxygen and methane were
combusted
in the micro-tube to
study
the micro-combustor
characteristics.
The
wall
temperatures
of
the micro-combustor were
measured
at
various positions. A 3-D numerical simulation
of
the
micro-tube
combustion was also developed taking into account the
combustion
, flow and
heat
transfer
in
the
micro-tube.
The
tests
and
numerical res ults showed
tha
t the small inner diameter of
the
micro-tube
required a long
tube
to achieve complete combustion.
The
heat
transfer
between the micro-tube and the environment was
very
large, accounting for about 40 % of
the
total
combustion
heat
,
the
radiation heat loss was
the
largest , accounting for
70
% of
the
total
heat
losses.
Therefore
, low emissivity materials are necessary
to
reduce the radiation
heat
loss from
the
micro-combustor wall.
Key
words:
micro-combustor;
combustion;
numerical simulation;
methane;
oxygen
随着
MEMS
Cmicro
electromechanical
system)
的迅速发展,基于
MEMS
技术的微型动力系统也
受到了人们的关注。微型动力系统采用液体碳氢燃
料,具有很高的能量密度,不仅可以为个人电子产
品、移动机器人、微型无人机、微型卫星等移动设备
长期提供电能,还可以为微小卫星和微型无人机的
机动飞行提供动力[飞微型的高温燃烧器是微型动
力系统的核心。在微燃烧器中,由于尺寸的减小,
一方面相对散热面积增大,使常规火焰无法稳定,另
一方面,火焰无法在如此小的燃烧器内传播;因此,
必须采取特殊的措施来维持燃烧器内的稳定燃烧。
解决燃烧稳定最有效的途径是微尺度表面催化
燃烧
[2J
但是现有催化剂的耐热温度都较低,当温
度高于
800.C
时,催化剂就会失去活性
t
飞因此,在
不采用催化燃烧的情况下,研究微燃烧室内的稳定
燃烧就变得非常重要。胡国新等
[4J
开展了微细通道
内氢气/空气预?昆燃烧的实验,研究了火焰稳定的条
件。张永生等
[5J
在内径
2mm
的微细石英管中,进行
了氢气和空气的预棍气体燃烧实验,测量了燃烧的
火焰温度、流量和燃烧效率的关系。但他们选用的燃
料是氢气,对于常用的碳氢燃料没有研究。王国锋
等
[6J
实验研究了微尺度下甲烧火焰的传播特性,以
及在微尺度通道中火焰存在的极限,但没有考虑管
壁散热的影响。黄显峰等[7]通过数值模拟研究了甲
烧和空气微尺度扩散火焰的燃烧特性、熄火极限以
及火焰的极限尺度。
Norton
等
[8J
对二维微型燃烧器
中甲烧/空气的燃烧进行了数值模拟,研究了微型燃
烧器的尺寸,壁面材料的导热系数和厚度,外部热损
失等参数对燃烧特性的影响
o
这些研究主要依赖于
数值模拟,结果的准确性有待进一步检验。
本文进行了甲烧和氧气在微细直管内的扩散燃
烧实验,测量了直管外壁的温度随时间的变化曲线。
收稿日期:
2006-08-03
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(5037602
7)
作者简介
z
李军伟
0978-)
,男(汉)
,河南,博士后。
E-mail:
davidlee@mail.
tsinghua.edu.cn
通讯联系人:钟北京,教授,
E-mail:
zhongbj@tsinghua.edu.cn
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