微型预混腔结构对流动分布均匀性及混合特性的影响

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1、http://www.paper.edu.cn微型预混腔结构对流动分布均匀性及1混合特性的影响张力，闫云飞，唐强重庆大学能源与环境研究所,重庆（400030）摘要：由于微型燃烧器尺寸大大缩小，气体的驻留时间急剧缩短。通过提高微型预混腔内流动的分布均匀性和混合效果来提高微型燃烧器的燃烧效率和稳定性显得更为重要。对微型预混腔内流场分布以及预混腔的燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离和二次燃料入口数量对微型预混腔内流动分布均匀性及混合特性的影响进行了数值研究。得到了各结构因素对微型预混腔内流动分布均匀性及混合特性的不同程度影响结果，对设计高效的微型预混器有重要的指

2、导借鉴意义。关键词：微型；预混腔；流动；均匀性；预混系数中图法分类号：TF0581.引言当前，微型器件已广泛应用于机械、航空航天、生物医疗、化学分析等领域，而微型器件的流动特征尺寸多为毫米、微米级，与分子平均自由程λ是可比拟的，需要考虑稀薄气体[1]流动是否存在。Beskok指出了适当的流动与传热模型取决于努森数Kn的范围。微型器件内[2-3]流体的流动特性是微型器件设计时非常关心的问题。随着微型器件通道长度和孔径的减小，气体均匀混合的难度也进一步增大。对于微混合反应体系，当混合速度小于反应速度时，混合时间将成为决定反应完成时间的关键因素，进而成为限制整个系统工作时间

3、的瓶颈，因[4-5]此在微尺度下如何实现流体的快速高效混合，成为目前重要的研究课题之一。在微系统中低速流动的流体，雷诺数一般较低，多为层流，流体混合主要依靠分子扩散，而不是宏观3下的对流扩散。在最近几年发展起来的基于碳氢为燃料，体积为1cm量级，能产生约10-100W[6-8]功率的微型发动机引起了世界各国的普遍关注。由于尺寸大大缩小，燃料在微燃烧器内的驻留时间也急剧缩短。且燃烧器的面容比增大，热量损失严重，易出现燃烧不完全和着火不稳定等现象。因常规发动机燃烧器的停留时间相当大一部分是用于燃料与空气的混合，所以对微型燃烧器设置预混腔，采用燃料与空气预先混合的方法降低停

4、留时间的限制。微型预混腔内气体的流动分布均匀性和混合特性是影响微燃烧器燃烧效率和稳定性的关键因素。本文主要研究微型预混腔结构对流动分布均匀性及混合特性的影响。2.物理及数学模型2.1物理模型文中的物理模型为微型燃烧器的环形预混腔，主要研究环形预混腔的燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离及二次燃料入口数量对流动分布均匀性及混合特性的影响。其中的一种结构见图1所示。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040611013）及重庆大学研究生科技创新基金（项目编号：200609Y1A0100169）的资助。-1-http://www.paper.

5、edu.cn图1预混腔结构示意图Fig.1Thestructurecharacterofpremixchamber预混腔由6个旋流槽道和环形腔组成，环腔外径21mm，内径14mm，高0.5mm；空气入口圆直径为1mm，旋流槽对称布置，槽宽1mm，6个燃料入口圆直径为0.3mm，布置在预混腔旋流槽面上，燃料入口圆距微型燃烧器中心线2mm。12个燃气出口圆直径为1mm，均匀布置在预混腔底面。空气从径向经旋流槽进入环形腔，燃料（CH4）从轴向进入旋流槽，两者垂直交叉混合，在预混腔内旋转流动并混合。2.2数学模型由于预混腔的空间尺度较小，在物理模型中，特征几何尺寸L为0.5m

6、m，混合气体的分-10-9-6-6子平均自由程λ在6.9×10~3.8×10m之间，由Kn=λ/L，得出努森数Kn为1.38×10~7.6×10，-3Kn<10，仍可采用无滑移的连续介质模型。其雷诺数Re为56.5~1300<2300，故流动为层流。微型预混腔内的流动和传质过程主要受预混腔结构和流动特性的控制，不考虑空气与燃料（CH4）间的化学反应，其数学模型包括连续方程、组分方程、动量方程和理想气体状态方程等。∂∂ρ+=()0ρui∂∂tx连续方程：i(1)∂()ρY+∇⋅()ρuY=−∇Jiii组分方程：∂t(2)∂∂∂p∂∂u∂uij()ρρuu+=()u−++

7、[(µ)]iji∂∂tx∂x∂x∂x∂x动量方程：jijji(3)YipR=ΣρTM理想气体状态方程：i(4)其中：ρ是密度，t是时间，u是速度；Yi是每种物质的质量分数，Ji是物质i的扩散Ji=−ρDi,m∇YiDi,mµ通量，由浓度梯度产生，可记为：，这里是第i种物质的扩散系数；pMi是动力粘性系数；是压强，R是气体常数，T是温度，是i种物质的摩尔质量。3.计算网格及边界条件采用Fluent模拟流体的微流动。在高度及旋流槽宽度方向上网格大小取0.1mm，其余取0.25mm，流体进、出口网格局部加密，不同结构预混腔的总网格数约为9-17万个。燃料（