带多孔介质的Y形微小通道中燃料与空气的混合强化与稳燃研究

Currently,micro- and meso-scale combustion is a hot spot which attracts the attentions of many reseachers of the combustion community.In this project,we shall concentrate on two key issues in micro-diffusion combustion: the first is the mixing enhenacement of the fuel and air, and the second is flame stablization. For this, we propose a Y-shaped mesescale combustor filled with a porous medium.As there exists an angle between the fuel and air passages,a preliminary mixing can be achieved through the collision of the two gaseous flows.Then,further mixing is realized in the porous medium and combustion occurs in this section.In addition,the porous medium can also preheat the cold fresh mixture and suppress the flow fluctuation,which leads to significant improvement of flame stability. In this project,through systematic numerical simulation and experimental investigation,we will study the impacts of some key parameters, such as the included angle between the fuel and air passages,type and porosity of the porous material,on the mixing of fuel and air and flame stability. It is expected that essential theoretical and technical developments of micro-combustion can be made by carrying out this project.

微小尺度燃烧是目前国际燃烧界的研究热点之一，引起了很多研究者的兴趣。本项目针对微小尺度扩散燃烧中的两个关键问题-燃料与空气的混合强化和稳燃，提出一种带多孔介质的Y形微小燃烧器。它利用两个进气流道之间的夹角使燃料与空气发生碰撞进行初步混合，然后在多孔介质中进一步充分混合和发生燃烧。此外，多孔介质还能预热未燃气体和抑制流体的脉动，从而实现高效、稳燃的目的。本项目拟通过系统地数值模拟和实验研究，重点考察燃料与空气流道之间的夹角、多孔介质材料的种类和孔隙率等关键参数对燃料与空气之间的混合以及燃烧稳定性的影响。本项目的开展对微小尺度燃烧理论和技术的发展均有重要意义。

本课题主要研究填充多孔介质的Y形微细通道内甲烷与空气之间的混合与燃烧特性，并与光管相比较。.首先通过数值模拟对Y形微细通道中甲烷与氧气的混合情况进行了系统地研究，结果表明：未填充多孔介质时，甲烷与氧气之间的混合主要依赖于分子扩散。随着两个进气通道夹角的减小、进气速度的增加，混合效果变差。仅在进气速度极低时，能获得较好的混合效果，这主要是由于甲烷与氧气的停留时间延长了，因此有足够的时间来进行相互扩散。当通道内填充多孔介质后，质弥散效应在促进燃料与氧化剂的混合方面起着主导作用，而且质弥散效应随着通道特征尺度的减小而变得更为显著。因此，甲烷与氧气之间的混合效果几乎不随进气通道夹角、进气速度、以及通道长度而发生显著改变，均能获得良好的混合效果。.对填充陶瓷纤维的微细通道中CH4/air的预混燃烧特性进行了实验研究，发现内径为5 mm与6 mm的燃烧器内火焰波能够驻定，当内径等于4 mm时火焰波无法驻定。在进气速度较高时，火焰出现了分裂现象。在当量比较低时，还发现了传播过程体积逐渐减小的火焰球。数值模拟应用了双温度能量方程和甲烷的两步氧化机理，同时考虑了燃烧器壁面导热、壁面与环境换热、以及壁面与气体之间的热交换。成功再现了实验中所有的火焰波形态及其分布范围。分析表明：低进气速度时，燃烧器内稳定的流场为驻定火焰波的形成提供了先决条件。当燃料燃烧产生的热量、系统散失的热量以及系统的回热量三者之间相互平衡时，火焰波能在通道内保持驻定。当散热量增强，热平衡被打破，或者流场不稳定性增强时，火焰波则会向着下游进行传播。此外，当壁面和多孔介质的导热系数升高、多孔介质孔隙率或者比热减小时，驻定火焰波出现的速度范围缩小。. 此外，对有、无陶瓷纤维的Y形微细通道中CH4/air的非预混燃烧特性进行了实验研究，发现在光管中，燃料只能在远离三岔口的某个距离之后才能被点燃，且都是向下游传播的倾斜火焰。填充陶瓷纤维之后，点火性能得到很大的改善，燃料均可以在三岔口附近被点燃。火焰稳定性大大提高，内径为5 mm与6 mm的燃烧器内存在驻定火焰波，火焰长度随着甲烷进气速度的增大而变长。4mm的管道内火焰波无法驻定，且火焰传播速度随着过量空气系数和甲烷进气速度的增大而加快，但比光管内的火焰传播速度大大降低。燃料的可燃极限也有了明显的拓宽。