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微热光电系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

作　者: 徐丰
导　师: 薛宏; 潘剑锋
学　校: 江苏大学
专　业: 工程热物理
关键词: 微热光电系统微燃烧室数值模拟多孔介质
分类号: TN29
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

微动力机电系统（Power MEMS，简称微动力系统）在汽车、机电、航空和军事等领域具有极为广阔的应用前景。研究具有高功率密度的微动力机电系统对我国的科技和国民经济的发展有着重要的意义。本文在分析研究国内外微动力系统的发展现状和趋势的基础上，围绕一种新颖的微动力系统——微热光电（Micro Thermophotovoltaic，即MTPV）系统进行了比较深入的理论分析和研究。微燃烧室是该系统的核心部分，在原有微圆柱形燃烧室的基础上，引入颗粒填充型多孔介质。通过试验和模拟计算研究了该新型燃烧室的内部燃烧过程。主要结论有：（1）在微燃烧室内加入了多孔介质进行初步的试验，研究了多孔介质对微尺度条件下燃烧的影响。试验结果表明，使用多孔介质后，能提高微燃烧室的外壁面的温度分布，并能提高能量的有效转换率。（2）在原有微圆柱形薄壁燃烧室研究成果的基础上，对添加了多孔介质的微燃烧室建立了合理的流动、传热、辐射和燃烧模型，对多孔介质内部的流场和温度场进行了数值模拟。模拟结果表明，多孔介质能延长混合气体的停留时间，改善燃烧状况，其良好的蓄热，导热，辐射能力，能够提高壁面温度，并显著减小温度梯度。（3）模拟了微多孔介质燃烧室中孔隙率、H₂／O₂体积混合比、入口流速及多孔区域材料等物理量对燃烧室外壁面温度分布的影响，并对不同参数下的模拟结果进行了较为详细的后处理与对比分析。取得了微多孔介质燃烧室内的优化的参数组合。试验研究和模拟分析的结果表明，在微燃烧室内添加多孔介质能有效地改善燃烧状况，使微燃烧室外壁面获得一个高而且均匀的温度分布，适合于微TPV系统的应用。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章绪论  9-23
  1.1 微机电系统(MEMS)的发展概况  9-10
  1.2 微动力机电系统(PowerMEMS)的研究进展  10-17
    1.2.1 国外典型的微动力系统设计方案  10-17
    1.2.2 国内微动力机电系统的若干发展动态  17
  1.3 开发微动力机电系统遇到的挑战  17-19
    1.3.1 材料与加工  17-18
    1.3.2 驻留时间  18-19
    1.3.3 大的面积-体积比造成的传热损失  19
  1.4 本文的主要研究内容  19-20
  参考文献  20-23
第二章微热光电系统的设计  23-30
  2.1 热光电系统概述  23-24
  2.2 微热光电系统原理  24-25
  2.3 微热光电系统(MTPV)的设计和制造  25-28
    2.3.1 微圆柱形辐射器  26
    2.3.2 GaSb PV电池回路  26-27
    2.3.3 散热片  27-28
  2.4 MTPV系统微燃烧室的研究与系统测试结果  28
  2.5 小结  28-29
  参考文献  29-30
第三章多孔介质应用于MTPV系统的实验研究  30-38
  3.1 国内外多孔介质预混燃烧的研究概述  30
  3.2 多孔介质预混燃烧的优点  30-31
  3.3 MTPV系统中多孔介质燃烧室的实验  31-32
    3.3.1 试验系统及装置  31-32
    3.3.2 燃烧室的材料和结构  32
    3.3.3 试验条件和方法  32
  3.4 试验结果及分析  32-36
  3.5 小结  36
  参考文献  36-38
第四章微热光电系统多孔介质燃烧室的数值模型  38-52
  4.1 模拟计算对象的分析  38-40
    4.1.1 传热与流动区域的划分  38-40
    4.1.2 传热与流动区域的选择  40
  4.2 数值计算的流程及计算网格的划分  40-41
  4.3 数值模型的建立  41-45
    4.3.1 基本控制方程  42-44
    4.3.2 RNG K-ε湍流模型  44
    4.3.3 燃烧模型  44
    4.3.4 辐射模型  44-45
  4.4 计算方法  45-46
  4.5 边界条件的确定  46-47
  4.6 材料物理性质的定义  47-50
    4.6.1 多孔介质的特性参数  48
    4.6.2 混合气体物性参数的确定  48-49
    4.6.3 化学反应机理  49-50
  4.7 小结  50
  参考文献  50-52
第五章数值模拟结果与分析  52-78
  5.1 孔隙率ε的影响  52-58
  5.2 H_2/O_2体积混合比的影响  58-66
    5.2.1 孔隙率为0.66时不同体积混合比的影响  58-62
    5.2.2 孔隙率为0.52时不同体积混合比的影响  62-66
  5.3 入口流量Q的影响  66-72
  5.4 多孔介质区域材料的影响  72-76
  5.5 小结  76-77
  参考文献  77-78
第六章全文总结与展望  78-80
  6.1 全文总结  78
  6.2 工作展望  78-80
致谢  80-81
攻读硕士期间发表的文章  81

微热光电系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

内容摘要

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