TPV微燃燒器圓柱強(qiáng)化換熱對壁溫及燃燒特性影響的數(shù)值研究.pdf

1、微熱光電（micro-TPV）系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、沒有運(yùn)動部件、易于維護(hù)制造等優(yōu)勢，且能夠充分利用微燃燒器的高比表面積和高熱損失率特性。為進(jìn)一步提高微熱光電系統(tǒng)能量效率，本文在對比分析現(xiàn)有燃燒通道強(qiáng)化氣壁換熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的圓柱陣列強(qiáng)化換熱微燃燒器，其優(yōu)點(diǎn)在于具有較大的換熱面積、強(qiáng)擾動優(yōu)化對流效果以及氣流流經(jīng)圓柱形成的滯留區(qū)有利于反應(yīng)完成，能夠顯著提高微燃燒器壁面溫度，并有利于燃燒穩(wěn)定性的提升。其設(shè)計拓寬了基于TPV的

2、微燃燒器設(shè)計思路，對提高微TPV系統(tǒng)整體效率具有一定參考價值。
　　本文采用數(shù)值模擬方式并結(jié)合 H2/A ir的詳細(xì)基元反應(yīng)機(jī)理，針對圓柱陣列強(qiáng)化高溫氣流與燃燒器內(nèi)壁面間的換熱過程進(jìn)行研究。
　　首先對有/無圓柱陣列的微燃燒器壁溫特性和燃燒特性進(jìn)行對比分析，通過對比不同進(jìn)氣速度、當(dāng)量比、壁面熱導(dǎo)率和通道間隙高度下兩種燃燒器的壁溫特性及其火焰駐定特性和穩(wěn)燃當(dāng)量比范圍，得到了圓柱陣列強(qiáng)化氣壁間的換熱效果以及其對燃燒器性能的影響。

3、研究結(jié)果表明：（1）在進(jìn)氣速度4 m/s下，圓柱陣列能提高壁溫74K，提高了壁面有效輻射量9.24W，提升幅度達(dá)34.55%，且隨著進(jìn)氣速度增加，壁溫提升更加明顯；同時，圓柱陣列提高了燃燒器后半部的壁溫，使得外壁面高低最大溫差減小，提升了壁溫均勻性。（2）圓柱陣列能夠促進(jìn)反應(yīng)速度加快，使得火焰駐定性優(yōu)于常規(guī)空通道燃燒器，在進(jìn)氣速度4 m/s~16 m/s范圍內(nèi)，圓柱強(qiáng)化換熱燃燒器的火焰位移了4.3mm，遠(yuǎn)低于常規(guī)空通道燃燒器的9.1 m

4、m；（3）由于圓柱強(qiáng)化換熱燃燒器中的火焰在極端當(dāng)量比情況下向下游位移，導(dǎo)致火焰與圓柱陣列直接接觸，使得燃燒溫度降低，造成圓柱強(qiáng)化換熱燃燒器的穩(wěn)燃當(dāng)量比范圍縮小至0.5~4.5，略窄于常規(guī)空通道燃燒器的0.4~6.0。
　　其次對不同圓柱陣列結(jié)構(gòu)的微燃燒器的壁溫特性和燃燒特性進(jìn)行分析，通過對比不同的圓柱陣列長度、圓柱布置方式以及圓柱直徑對強(qiáng)化換熱以及燃燒穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步優(yōu)化圓柱陣列。研究結(jié)果表明：（1）減小圓柱陣列長度至10 m

5、m后，圓柱強(qiáng)化換熱燃燒器的穩(wěn)燃當(dāng)量比范圍被拓寬至0.3~5.5，圓柱陣列對火焰穩(wěn)定性的負(fù)面影響基本消除，與此同時壁溫均勻性得到了大幅改善，但壁面的有效輻射量因此減少了1.59W。（2）相較于順列布置的圓柱陣列，錯列布置圓柱陣列更有利于熱輻射壁溫的提高，且對燃燒器內(nèi)的氣流流動阻力影響相差不大。（3）圓柱直徑的減小不僅增加了換熱面積，同時強(qiáng)化了氣流擾動，使其強(qiáng)化換熱效果更為顯著。在進(jìn)氣速度4 m/s時，圓柱直徑D=0.5 mm燃燒器壁溫較D