壁面参数对发动机微燃烧室氢气∕空气预混燃烧的影响.pdf

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1、第９期总第２７９期农业科技与装备Ｎo．９ＴotａlＮo．２７９２０１７年９月ＡｇｒｉｃｕltｕｒａlＳｃｉｅnｃｅ＆ＴｅｃhnoloｇyａnｄＥｑｕｉｐｍｅntＳｅｐ．２０１７壁面参数对发动机微燃烧室氢气／空气预混燃烧的影响李玉兰（江苏联合职业技术学院镇江分院，江苏镇江２１２０１６）摘要：根据微尺度燃烧室内氢气和空气的预混燃烧过程，利用STAR-CD计算软件建立微燃烧的物理和数学模型，在试验验证的基础上模拟壁面导热系数、壁厚和外壁面传热系数等壁面参数对氢气和空气预混合燃烧的影响。结果表明：靠近燃烧室入口处的火焰中心温度随导热系数减小而增加，出口处混合气体的温度随导热系数减小而降低；随着外壁

2、面厚度增加，外壁面温度降低，壁面温度分布更均匀；随着外壁面传热系数增加，燃烧室内火焰温度降低，出口处的气体温度和外壁面温度相应降低。关键词：微燃烧室；壁面参数；数值模拟；燃烧特性；氢气中图分类号：TＫ４２文献标识码：A文章编号：１６７４-１１６１（２０１７）０９-００４４-０４微燃烧器是微热光电系统的核心部件，其结构和量守恒方程、化学组分守恒方程、流体能量守恒方程、性能对外壁面温度分布的均匀性有重要影响，进而影壁面能量守恒方程。响光电能量的转换效率。近年来，国内外学者对微燃１.３流体流动模型烧器的结构和性能进行了大量研究。受加工尺寸的限该燃烧室尺度较小，但研究的传热及流动问题仍制，研究壁面

3、参数对微燃烧的影响比较困难。为此，利属于连续介质区，适用Navier-Sｔokes方程及Ｆourier用STAR-CD计算软件建立微燃烧的物理和数学模热传导定律，可运用商业通用软件STAR-CD进行数型，在试验验证的基础上模拟研究燃烧室壁面导热系值模拟研究。在微圆管内通入氢气／空气预混气体燃数、壁厚和外壁面传热系数等壁面参数对微尺度燃烧烧，以空气物性参数作为整个混合气流的物性参数，室内氢气和空气预混合燃烧的影响，旨在为微燃烧室认为是层流粘性流，可用理想气体定律计算流体密结构设计和性能改善提供一定的参考。度。用物质性质的质量分数的加权平均数来计算流体１数值模型和方法混合物的比热、粘度、热传导

4、率。１.１物理数学模型１.４燃烧模型研究的模拟对象（如图１所示），为内径０．２mm、燃烧反应模型很多。考虑到氢气和氧气的化学反壁厚０．０５mm、长１．６mm的微型圆柱管。采用STAR-应，选择适于层流预混合燃烧的ChemicalＫineｔics模CD前处理软件pro-sｔar对微燃烧室进行网格划分。型，其化学反应率遵循Arrhenius定律。燃烧室结构较为规则，因此采用结构化网格形式，在１.５传热模型简单计算区域内可以直接生成。利用网格特点可以构在微尺度燃烧室内燃烧过程中，由于表面积体积造各种算法。比增大，因此壁面热损失不能忽略，必须综合考虑导热、对流和辐射散热产生的热损失。１．５．１导热

5、壁面导热损失采用ConducｔandconjugaｔeHeaｔTransfer模型计算。模拟计算时采用双精度，这样利于解决潜在的收敛问题。１．５．２对流换热在计算中需要确定对流换热产生热图１微管燃烧室结构尺寸损失的传热系数，计算公式为：Ｆiｇｕｒｅ1Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓiｚｅoｆｍiｃｒoｃoｍｂｕｓｔoｒλｍｈｃｏ＝Ｎｕｍ（１）１.２数学模型Ｌ数学模型包括以下基本方程：质量守恒方程、动式中：Ｎｕｍ为平均努谢尔特（Nusselｔ）数；λｍ为空气导热系数；Ｌ为壁面长度。收稿日期：２０１７-０８-１２１．５．３辐射换热主要考虑燃烧室外壁面的辐射散热作者简介：李玉兰（１９８０—），女，硕士，讲师

6、，从事发动机微燃对微尺度燃烧室内燃烧的影响。在STAR-CD模拟烧动力和电子技术方面的研究。２０１７年第９期李玉兰：壁面参数对发动机微燃烧室氢气／空气预混燃烧的影响４５中，如果计算区域中没有建立空气网格，燃烧室外壁面辐射散热可不设置辐射模型，但需要在固体外壁面边界条件中给出辐射散热的热阻。辐射传热系数ｈｒａ的计算公式为：２２ｈｒａ＝σｂε（Ｔｗ＋Ｔａ）（Ｔｗ＋Ｔａ）（２）-８式中：σｂ为黑体辐射常数，５．６７×１０；ε为燃烧室壁面发射率；Ｔｗ为燃烧室外壁面温度；Ｔａ为外界环境温度，３００Ｋ。图２不同氢氧混合比下试验的壁面温度分布Ｆiｇｕｒｅ２Ｗallｔｅｍｐｅｒaｔｕｒｅdiｓｔｒiｂｕｔ

7、ionｔｅｓｔｅdindiｆｆｅｒｅnｔ１.６边界条件和算法ｒaｔiooｆH／Oｍiｘｅdｇaｓ在边界条件中，入口条件选取速度边界条件，需要给出预混合气在入口的流速、温度和气体混合物质量百分比。燃烧室的结构属于轴对称，为全面分析微燃烧室的火焰传播特性，采用三维数值模拟。数值模Ｋ／拟采用１／２圆柱作为计算区域，计算区域的底部边界度温为轴对称边界条件。出口压力边界条件固定为面壁５１．０１３２５×１０Ｐa。燃烧室壁面采用无滑移