氢气空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响（可编辑）

氢气空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响（可编辑） 氢气空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响 第 卷 第 期 光 学 精 密 工 程 1 6 1 1 V o l . 1 6 N o . 1 1 O t i c s a n d P r e c i s i o n E n i n e e r i n 年 月 p g g 2 0 0 8 1 1 N o v . 2 0 0 8 文 章 编 号 ( ) 1 0 0 4 ? 9 2 4 X 2 0 0 8 1 1 ? 2 2 1 4 ? 0 8 氢 气 / 空 气 当 量 比 对 微 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 , 1 2 3 2 4 4 朱 林 , 徐 进 良 , 孔 凡 让 , 刘 明 侯 , 姜 海 ( 安 徽 农 业 大 学 工 学 院 , 安 徽 合 肥 ; 中 国 科 学 技 术 大 学 精 密 机 械 及 仪 器 系 , 安 徽 合 肥 ; 1 . 2 3 0 0 3 6 2 . 2 3 0 0 2 6 中 国 科 学 院 广 州 能 源 研 究 所 , 广 东 广 州 ; 中 国 科 学 技 术 大 学 热 科 学 与 能 源 系 , 安 徽 合 肥 ) 3 . 5 1 0 6 4 0 4 . 2 3 0 0 2 6 摘 要 : 以 美 国 麻 省 理 工 学 院 ( ) 研 制 的 硅 基 六 晶 片 微 燃 烧 器 为 研 究 对 象 , 采 用 考 虑 了 基 元 反 应 动 力 学 机 理 燃 烧 程 序 的 M I T 二 维 计 算 流 体 动 力 学 ( ) 数 值 分 析 方 法 , 研 究 了 在 微 尺 度 燃 烧 器 入 口 处 混 合 气 体 流 量 不 变 的 情 况 下 , 改 变 氢 气 / 空 气 C F D 当 量 比 对 微 尺 度 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 。 整 个 模 拟 计 算 主 要 包 括 混 合 气 体 的 流 动 路 径 、 微 燃 烧 器 的 内 部 区 域 以 及 整 个 燃 烧 器 的 墙 壁 面 ; 计 算 过 程 中 考 虑 了 氢 气 / 空 气 的 流 体 动 力 学 特 性 、 传 热 学 特 性 和 详 细 的 基 元 反 应 机 理 。 计 算 结 果 显 示 , 当 氢 气 / 空 气 当 量 比 为 时 , 燃 烧 器 发 生 熄 火 ; 当 量 比 为 、 时 , 燃 烧 器 内 部 能 维 持 稳 定 燃 烧 ; 当 量 比 为 时 , 燃 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 烧 器 的 微 细 通 道 内 出 现 回 燃 现 象 。 结 果 明 , 利 用 二 维 数 值 模 拟 的 方 法 研 究 微 尺 度 燃 烧 器 燃 烧 特 性 是 可 行 的 。 C F D 关 键 词 : 当 量 比 ; 微 燃 烧 器 ; 燃 烧 特 性 ; 计 算 流 体 动 力 学 ( ) C F D 中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : T K 2 2 3 . 2 A / ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , 1 2 3 2 4 4 , , , , Z H U L i n X U J i n ? l i a n K O N G F a n ? r a n L I U M i n ? h o u J I A N G H a i g g g ( , , , ; 1 . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 3 0 0 3 6 ? ? ? ? ? 2 . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ; , , ? ? ? ? ? 2 3 0 0 2 6 ? ? ? ? ? 3 . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ; , ? ? ? ? ? ? ? ? 5 1 0 6 4 0 ? ? ? ? ? 4 . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , , ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 3 0 0 2 6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? : ? ? ? ? ? ? ? ? O n t h e b a s i s o f t h e s i x ? w a f e r c o m b u s t o r u s e d i n a m i c r o ? g a s t u r b i n e e n g i n e d e v e l o p e d b y ( ) , M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y M I T a t w o ? d i m e n s i o n a l C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ( ) / C F D s i m u l a t i o n w a s e m l o e d i n s t u d i n t h e e f f e c t o f h d r o e n a i r r a t i o o n t h e c o m b u s t i o n e r ? p y y g y g p f o r m a n c e i n a m i c r o c o m b u s t o r w h e n t h e m i x t u r e m a s s f l o w r a t e w a s f i x e d . T h e C F D m o d e l i n i n ? g / , c l u d e s t h e h d r o e n a i r f l o w a t h c o m b u s t i o n c h a m b e r a s w e l l a s t h e s o l i d w a l l s o f t h e m i c r o ? c o m ? y g p , , b u s t o r a n d t h e s i m u l a t i o n a n a l y s i s i n v o l v e s i n t h e f l o w m e c h a n i c s h e a t t r a n s f e r a n d t h e n u m e r o u s c h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r i n g i n t h em i c r o ? c o m b u s t o r . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f l a m e w i l l b e q u e n c h e d / f i n a l l y i n t h e c h a m b e r w h e n t h e e q u i v a l e n c e r a t i o o f f u e l a i r m i x t u r e i s 0 . 4 a n d t h e c o m b u s t i o n i s m o r e / ; s t a b l e w h e n t h e e u i v a l e n c e r a t i o o f f u e l a i r m i x t u r e i s 0 . 5 o r 0 . 6 t h e f l a m e f r o n t w i l l r o a a t e t o q p p g / , t h e u s t r e a m o f t h e f u e l a i r m i x t u r e f l o w b u r n i n i n t h e r e c i r c u l a t i o n a c k e t w h e n t h e e u i v a l e n c e r a ? p g j q 收 稿 日 期 : ; 修 订 日 期 : 2 0 0 7 ? 1 2 ? 1 4 2 0 0 8 ? 0 4 ? 2 7 . 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 国 际 合 作 与 交 流 项 目 ( ) ; 广 东 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 ( N o . 5 0 7 2 1 1 4 0 6 5 1 N o . ) ; 安 徽 农 业 大 学 引 进 与 稳 定 人 才 资 助 项 目 ( ) 0 6 1 0 4 5 2 5 N o . w d 2 0 0 8 ? 6朱 林 , 等 : 氢 气 / 空 气 当 量 比 对 微 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 第 期 1 1 2 2 1 5 t i o i s i n c r e a s e d t o 0 . 7 . I t c o m e s t o a c o n c l u s i o n t h a t t h e p r e s e n t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s h e l p f u l f o r t h e d e s in a n d i m r o v e m e n t o f t h e m i c r o ? c o m b u s t o r . g p : ; ; ; ? ? ? ? ? ? ? e u i v a l e n c e r a t i o m i c r o c o m b u s t o r c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s C o m u t a t i o n a l F l u i d D ? ? q p y ( ) n a m i c s C F D 学 ) 数 值 模 拟 的 方 法 , 研 究 了 改 变 氢 气 / 空 气 流 量 引 言 当 量 比 对 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 程 度 , 并 将 计 算 1 结 果 与 国 外 相 关 实 验 结 果 进 行 了 比 较 , 结 果 表 明 随 着 各 种 微 型 化 机 械 装 置 系 统 的 出 现 , 研 制 一 致 性 较 好 。 此 外 , 在 研 究 方 法 上 做 了 一 定 有 意 作 为 微 系 统 能 量 供 给 的 微 能 源 系 统 ( P o w e r 义 的 探 索 。 ) 一 直 受 到 世 界 各 国 的 普 遍 重 视 。 M E M S S y s t e m 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 ( ) 首 次 提 出 了 研 1 9 9 7 M I T 微 燃 烧 器 二 维 模 型 的 建 立 2 制 硅 基 燃 烧 / 透 平 发 动 机 的 设 想 , 希 望 开 发 出 一 种 能 量 密 度 远 高 于 锂 电 池 数 十 倍 , 亚 立 方 厘 米 体 积 根 据 相 关 资 料 及 文 献 [ ] 提 供 的 数 据 资 料 3 ? 4 [ ] 1 的 微 燃 烧 / 透 平 发 动 机 。 由 于 该 发 动 机 与 其 它 ( 如 图 , 所 示 ) , 采 用 线 框 建 模 的 方 法 , 以 流 体 动 1 2 微 能 源 相 比 , 具 有 能 量 密 度 高 、 供 电 时 间 长 、 体 积 力 学 仿 真 软 件 的 前 置 模 块 为 F L U E N T G a m b i t 小 、 无 污 染 等 优 点 , 有 望 未 来 得 以 广 泛 的 应 用 , 所 平 台 , 构 建 了 微 燃 烧 器 的 二 维 模 型 ( 由 于 主 要 研 究 以 其 相 关 技 术 的 研 究 受 到 了 各 国 专 家 的 普 遍 关 燃 烧 器 内 部 燃 烧 性 能 , 因 而 不 考 虑 氢 气 / 空 气 的 预 注 。 混 情 况 ) 如 图 所 示 。 3 微 尺 度 燃 烧 器 是 微 发 电 系 统 的 核 心 部 件 , 掌 握 其 间 的 微 尺 度 燃 烧 机 理 是 研 制 高 能 量 密 度 、 基 于 燃 烧 的 微 发 电 系 统 的 必 要 环 节 。 当 常 规 尺 度 的 燃 烧 器 缩 小 为 数 十 立 方 厘 米 甚 至 数 立 方 厘 米 时 , 火 焰 被 局 限 在 狭 小 的 空 间 内 , 燃 烧 的 完 全 程 度 、 火 焰 的 稳 定 性 都 表 现 出 与 常 规 尺 度 燃 烧 不 同 的 特 [ ] 1 性 , 而 这 些 微 燃 烧 器 设 计 上 重 要 的 特 性 和 影 响 参 数 目 前 还 未 能 充 分 掌 握 , 在 开 发 具 有 燃 烧 效 率 、 图 研 制 的 硅 基 六 晶 片 微 燃 烧 室 1 M I T 操 作 弹 性 、 稳 定 性 等 综 合 良 好 特 性 的 微 小 燃 烧 器 F i . 1 C r o s s ? s e c t i o n o f a x i s m m e t r i c 6 ? w a f e r s i l i c o n ? g y 方 面 , 还 有 许 多 尚 未 突 破 的 关 键 问 题 , 加 之 目 前 由 b a s e d m i c r o c o m b u s t o r f r o m M I T 于 微 尺 度 燃 烧 器 尚 处 于 探 索 阶 段 , 并 且 具 有 浓 厚 [ ] 2 的 军 事 背 景 , 相 关 的 数 据 报 道 较 少 , 因 而 对 其 燃 烧 性 能 的 研 究 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 由 于 微 燃 烧 器 尺 寸 过 小 , 再 加 上 相 关 实 验 设 备 功 能 的 限 制 , 所 以 目 前 大 都 采 用 数 值 模 拟 的 方 [ ] 3 ? 4 法 来 研 究 微 燃 烧 器 的 燃 烧 特 性 。 从 查 阅 的 相 [ 1 , 3 ? 6 ] 关 文 献 来 看 , 目 前 以 研 制 的 硅 基 六 晶 片 M I T 微 燃 烧 器 为 研 究 对 象 , 利 用 实 验 和 数 值 方 法 进 行 其 燃 烧 特 性 研 究 的 只 有 美 国 和 新 加 坡 的 两 所 大 图 新 加 坡 高 性 能 计 算 研 究 所 研 制 的 硅 基 微 燃 烧 室 图 2 学 , 并 且 只 有 新 加 坡 一 所 大 学 进 行 了 基 于 三 维 的 F i . 2 C r o s s ? s e c t i o n o f a x i s m m e t r i c 6 ? w a f e r s i l i ? g y 微 尺 度 燃 烧 特 性 研 究 。 c o n ? b a s e d m i c r o c o m b u s t o r f r o m S i n a o r e g p 基 于 此 , 本 文 采 用 二 维 ( 计 算 流 体 动 力 C F D光 学 精 密 工 程 第 卷 2 2 1 6 1 6 ( ) 微 燃 烧 器 流 动 、 燃 烧 区 域 计 算 网 格 图 b C F D ( ) b C F D m e s h f o r f l o wa n d c o m b u s t i o n a r e a 图 基 于 构 建 的 的 硅 基 微 燃 烧 室 结 构 图 3 G a m b i t F i . 3 S t r u c t u r e o f s i l i c o n ? b a s e d m i c r o c h a m b e r g b a s e d o n G a m b i t 微 燃 烧 器 燃 烧 计 算 过 程 3 微 尺 度 燃 烧 是 在 微 小 空 间 中 的 燃 烧 反 应 , 它 涉 及 燃 烧 热 力 学 、 化 学 动 力 学 、 流 体 力 学 、 传 热 和 [ 3 ] [ 4 ] ( ) 微 燃 烧 器 热 交 换 区 域 计 算 网 格 图 传 质 等 多 门 学 科 知 识 。 经 研 究 , 随 着 尺 度 的 c C F D ( ) c C F D m e s h f o r h e a t e x c h a n g e a r e a 减 小 , 混 合 物 流 动 状 况 基 本 上 处 于 层 流 状 态 。 此 图 整 个 微 燃 烧 器 计 算 区 域 网 格 图 4 时 , 燃 烧 在 火 焰 的 稳 定 性 、 燃 烧 效 率 以 及 燃 烧 热 损 F i . 4 C F D m e s h f o rm i c r o c o m b u s t i o n c h a m b e r g 失 等 方 面 都 表 现 出 很 多 不 同 于 常 规 尺 度 燃 烧 的 特 殊 现 象 。 所 示 。 同 时 , 所 产 生 的 网 格 被 成 功 地 导 入 到 根 据 微 尺 度 燃 烧 的 特 殊 性 , 在 利 用 二 维 C F D 中 , 因 而 可 被 用 来 后 续 的 模 拟 计 算 。 F L U E N T 方 法 模 拟 流 动 、 燃 烧 计 算 时 , 主 要 考 虑 了 以 下 主 要 计 算 模 型 3 . 2 因 素 。 氢 气 / 空 气 混 合 物 经 过 流 动 混 合 后 , 在 燃 烧 器 网 格 划 分 3 . 1 内 部 进 行 多 步 基 元 反 应 ( 共 步 ) , 将 化 学 能 转 化 1 9 在 分 析 微 燃 烧 器 燃 烧 特 性 之 前 , 首 先 需 要 根 为 热 能 , 它 和 周 围 环 境 及 介 质 有 一 定 的 热 量 交 换 , 据 氢 气 / 空 气 的 实 际 流 动 、 燃 烧 状 况 , 对 整 个 模 拟 这 对 整 个 燃 烧 器 的 燃 烧 效 率 、 内 部 火 焰 的 稳 定 性 计 算 区 域 ( 如 图 ) 进 行 网 格 划 分 。 经 过 分 析 , 整 4 以 及 燃 烧 器 墙 壁 面 的 热 损 失 影 响 较 大 。 所 涉 及 的 个 计 算 由 两 大 区 域 组 成 : 混 合 气 体 流 动 、 燃 烧 区 热 交 换 主 要 有 : 燃 烧 器 外 墙 壁 面 对 周 围 环 境 的 热 域 ; 燃 烧 器 和 流 体 的 热 交 换 区 域 ( 即 燃 烧 器 的 墙 壁 传 导 、 对 流 、 辐 射 ; 内 外 燃 烧 器 墙 壁 面 与 氢 气 / 空 气 面 ) , 据 此 , 根 据 计 算 区 域 的 结 构 特 点 , 基 于 G a m ? 混 合 气 体 之 间 的 热 传 递 等 。 描 述 上 述 物 理 过 程 的 平 台 , 选 用 较 为 合 适 的 网 格 格 式 完 成 对 整 个 计 b i t 数 学 模 型 主 要 包 括 以 下 控 制 方 程 。 算 区 域 的 网 格 划 分 , 共 生 成 单 元 个 , 如 图 7 6 3 9 7 4 质 量 守 恒 方 程 3 . 2 . 1 由 于 流 体 分 子 的 不 规 则 运 动 , 在 各 层 流 体 间 交 换 着 质 量 , 整 个 交 换 过 程 必 须 满 足 质 量 守 恒 定 律 , 质 量 输 送 在 宏 观 上 表 现 为 扩 散 现 象 。 该 定 律 可 表 述 为 : 单 位 时 间 内 流 体 微 元 体 中 质 量 的 增 加 等 于 同 一 时 间 间 隔 内 流 入 该 微 元 体 的 净 质 量 。 其 [ ] 7 数 学 表 达 式 为 : ? ρ ? ( ) , ( ) + ? ? = 0 1 ( ) 整 个 燃 烧 器 的 计 算 网 格 图 a C F D ρ ? ? ( ) a T o t a l C F D m e s h 式 中 : 表 示 散 度 , 其 表 达 式 为 : ?朱 林 , 等 : 氢 气 / 空 气 当 量 比 对 微 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 第 期 1 1 2 2 1 7 ? ( ) / / / 要 遵 守 组 分 质 量 守 恒 定 律 。 该 定 律 可 表 述 为 : 系 ? ? = d i v ? = ? ? ? ? ? + ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? 其 中 , 是 流 体 的 密 度 , 是 流 体 速 度 矢 量 。 本 文 统 内 某 种 化 学 组 分 质 量 对 时 间 的 变 化 率 等 于 通 过 ? ρ 描 述 的 是 二 维 状 态 , 所 以 , / 。 ? ? = 0 ? ? ? 系 统 界 面 净 扩 散 量 与 通 过 化 学 反 应 产 生 的 该 组 分 [ ] 动 量 守 恒 方 程 7 3 . 2 . 2 的 生 产 率 之 和 。 其 数 学 表 达 式 为 : 任 何 流 动 系 统 必 须 满 足 动 量 守 恒 定 律 , 动 量 ( ) ? ? ? ρ ( ) ( ( ) ) , ( ) + d i v ? ? = d i v ? r a d ? + ? 4 ? ? g ? ? ρ ρ 输 送 在 宏 观 上 表 现 为 粘 性 现 象 , 该 定 律 可 表 述 为 : ? ? 微 元 体 中 流 体 对 时 间 的 变 化 率 等 于 外 界 作 用 在 该 式 中 : 为 组 分 的 体 积 浓 度 ; 是 组 分 的 质 量 浓 ? ? ? ? ρ [ ] 7 微 元 体 上 的 各 种 力 的 和 。 其 数 学 表 达 式 为 : 度 ; 为 组 分 的 扩 散 系 数 ; 为 系 统 内 部 单 位 时 ? ? ? ? ( ) ? ? ? ? ? ρ 间 内 单 位 体 积 通 过 化 学 反 应 产 生 的 该 组 分 的 质 ( ) ( ) , ( ) + d i v ? ? = d i v r a d ? - + ? 2 ? g ? ? ρ μ ? ? ? ? 量 。 式 中 : , , , 本 文 不 考 虑 轴 分 量 ; 是 动 力 ? = ? ? ? ? μ 气 相 反 应 机 理 3 . 3 粘 度 ; 是 动 量 守 恒 方 程 的 广 义 源 项 。 ? ? 当 氢 气 / 空 气 在 燃 烧 器 内 部 混 合 、 流 动 以 及 燃 能 量 守 恒 方 程 3 . 2 . 3 烧 时 , 为 了 得 到 较 为 可 信 的 计 算 结 果 , 必 须 考 虑 其 能 量 守 恒 定 律 是 包 含 有 热 交 换 的 流 动 系 统 必 详 细 的 化 学 动 力 学 过 程 , 为 此 , 本 文 考 虑 了 氢 气 / 须 满 足 的 基 本 定 律 。 能 量 输 运 在 宏 观 上 表 现 为 热 [ ] 8 空 气 详 细 的 气 相 化 学 反 应 机 理 如 表 所 示 。 该 传 导 现 象 。 该 规 律 可 表 述 为 : 微 元 体 中 能 量 的 增 1 加 率 等 于 进 入 微 元 体 的 净 热 流 量 加 上 体 力 与 面 力 汽 相 反 应 机 理 总 共 有 个 可 逆 反 应 , 所 有 反 应 涉 1 9 [ ] 7 对 微 元 体 所 作 的 功 。 其 数 学 表 达 式 为 : 及 的 组 分 包 括 : 、 、 、 、 、 、 、 H O H H O O H O H O 2 2 2 2 ( ) ? ? ? 和 。 与 文 献 [ ] 不 同 的 是 , 考 虑 氢 气 / 空 ρ H 2 O 2 M 3 ( ) ( ) , ( ) + d i v ? ? = d i v r a d ? + ? 3 g ? ρ ? ? ? ? 气 化 学 反 应 机 理 时 , 没 有 借 助 其 它 额 外 程 序 , 而 是 式 中 : 是 流 体 的 比 热 容 ; 为 温 度 ; 为 流 体 的 ? ? ? ? 根 据 混 合 物 的 实 际 反 映 情 况 , 利 用 流 体 动 力 学 软 传 热 系 数 ; 为 粘 性 耗 散 项 。 ? ? 件 自 带 的 程 序 , 自 己 编 写 F L U E N T C H E M K I N 组 分 质 量 守 恒 方 程 3 . 2 . 4 文 件 导 入 进 C H E M K I N M e c h a n i s m F L U E N T 在 一 个 特 定 的 或 确 定 的 系 统 中 , 可 能 存 在 质 行 计 算 的 。 的 交 换 , 或 者 存 在 多 种 化 学 组 分 , 每 一 种 组 分 都 需 表 氢 气 / 空 气 化 学 反 应 详 细 步 骤 1 T a b . 1 R e a c t i o n s t e s f o r c o m b u s t i o n o f h d r o e n a n d o x e n p y g y g 反 应 ? ? ? ( ) 1 H 2 + O 2 ? H + H O 2 1 . 7 3 E 1 2 0 . 4 6 8 5 5 0 5 0 H + H O H + O 2 . 5 0 E 1 3 0 . 0 6 9 3 2 ? 2 2 ( ) 2 H + O 2 ? O H + O 1 . 8 6 E 1 6 - 0 . 6 1 1 6 8 9 9 O H + O H + O ? 2 4 . 2 0 E 1 3 - 0 . 1 8 9 - 4 0 9 ( ) 3 H 2 + O ? O H + H 5 . 0 6 E 0 4 2 . 6 7 6 2 9 0 O H + H H + O 3 . 8 7 E 0 4 2 . 6 0 4 4 4 8 1 ? 2 ( ) 4 H + O H ? H O + H 2 . 1 6 E 0 8 1 . 5 1 3 3 4 0 2 2 H 2 O + H ? H 2 + O H 1 . 3 6 E 1 0 1 . 1 9 2 1 9 3 5 7 ( ) 5 O H + O H ? H O + O 1 . 5 0 E 0 9 1 . 1 4 0 2 H 2 O + O ? O H + O H 1 . 2 4 E 1 1 0 . 8 8 8 1 7 8 2 6 ( ) 6 H + O H + M H O + M 8 . 6 2 E 2 1 - 2 . 0 0 ? 2 H 2 O + M? H + O H + M 7 . 9 1 E 2 3 - 2 . 1 9 2 1 2 0 0 8 3 ( ) 7 H + H + M H + M 7 . 3 0 E 1 7 - 1 . 0 0 ? 2 H 2 + M? H + H + M 1 . 0 6 E 1 8 - 0 . 8 7 4 1 0 4 0 6 6 ( ) 8 H + O + M O H + M 2 . 6 0 E 1 6 - 0 . 6 0 ? O H + M? H + O + M 2 . 8 9 E 1 6 - 0 . 5 4 1 0 2 2 5 6 ( ) 9 O + O + M O + M ? 2 1 . 1 0 E 1 7 - 1 . 0 0光 学 精 密 工 程 第 卷 2 2 1 8 1 6 O + M O + O + M 5 . 4 2 E 1 9 - 1 . 3 6 1 1 1 9 5 6 5 2 ? ( ) 1 0 H + O 2 + M ? H O 2 + M 2 . 2 3 E 1 5 0 . 0 - 5 0 0 H O + M H + O + M 5 . 7 1 E 1 6 - 0 . 3 6 5 4 9 2 8 2 2 ? 2 ( ) 1 1 H + H O 2 ? O H + O H 1 . 5 0 E 1 4 0 . 0 1 0 0 0 O H + O H H + H O ? 2 1 . 4 7 E 1 0 0 . 8 4 6 3 6 1 6 4 ( ) 1 2 O + H O ? O + O H 2 . 0 0 E 1 3 0 . 0 0 2 2 O + O H O + H O 2 ? 2 8 . 7 0 E 1 1 0 . 4 2 5 ( ) 1 3 O H + H O ? O + H O 2 . 0 0 E 1 3 0 . 0 0 2 2 2 O 2 + H 2 O ? O H + H O 2 7 . 1 6 E 1 3 0 . 1 7 3 7 0 3 0 0 ( ) 1 4 H O + H O O + H O 2 . 0 0 E 1 2 0 . 0 0 2 2 ? 2 2 2 O 2 + H 2 O 2 ? H O 2 + H O 2 5 . 3 3 E 1 3 - 0 . 1 7 3 3 8 4 4 3 ( ) 1 5 H + H O H + H O 1 . 7 0 E 1 2 0 . 0 3 7 8 0 2 2 ? 2 2 H 2 + H O 2 ? H + H 2 O 2 3 . 6 3 E 0 9 0 . 6 6 4 1 9 6 2 0 ( ) 1 6 H + H O O H + H O 1 . 0 0 E 1 3 0 . 0 3 5 8 0 2 2 ? 2 O H + H 2 O ? H + H 2 O 2 1 . 3 2 E 0 8 1 . 1 9 2 7 0 6 0 2 ( ) 1 7 O + H O O H + H O 2 . 8 0 E 1 3 0 . 0 6 4 0 0 2 2 ? 2 O H + H O 2 ? O + H 2 O 2 4 . 5 7 E 1 0 0 . 5 9 8 2 0 4 3 1 ( ) 1 8 O H + H O H O + H O 7 . 0 0 E 1 2 0 . 0 1 4 3 0 2 2 ? 2 2 H 2 O + H O 2 ? O H + H 2 O 2 9 . 4 1 E 1 1 0 . 3 4 6 3 3 2 8 7 ( ) 1 9 O H + O H + M H O + M 4 . 7 3 E 1 1 1 . 0 ? 2 2 - 6 3 7 0 H O + M? O H + O H + M 3 . 2 9 E 1 8 - 0 . 3 8 4 4 6 6 9 1 2 2 表 中 : 是 化 学 反 应 的 温 度 指 数 ; 是 反 应 的 频 内 部 后 , 其 流 动 速 度 相 对 减 慢 。 这 主 要 是 因 为 混 1 ? ? 率 ; 是 反 应 的 活 化 能 。 合 气 体 邻 近 燃 烧 室 时 , 燃 烧 室 入 口 处 的 火 焰 稳 定 ? 器 开 始 对 其 进 行 点 火 燃 烧 , 由 于 燃 烧 反 应 是 多 步 骤 的 基 元 反 应 , 在 反 应 过 程 中 会 产 生 许 多 中 间 产 计 算 结 果 与 讨 论 4 物 , 同 时 在 微 小 尺 度 的 燃 烧 区 域 中 , 分 子 扩 散 到 壁 初 始 条 件 的 设 置 面 的 距 离 被 缩 短 , 这 样 单 位 时 间 内 分 子 与 壁 面 的 4 . 1 按 照 文 献 [ ] , 本 文 设 置 模 拟 计 算 的 初 始 条 碰 撞 频 率 将 增 加 , 因 而 延 缓 了 混 合 气 体 的 流 动 速 3 ? 4 件 为 : 度 。 当 量 比 为 、 、 时 也 出 现 了 上 述 类 似 0 . 4 0 . 6 0 . 7 ( ) 选 取 氢 气 / 空 气 混 合 气 体 的 流 量 为 的 流 动 情 形 。 1 / ; 0 . 1 s g ( ) 选 取 氢 气 / 空 气 混 合 气 体 的 当 量 比 分 别 2 为 : 、 、 、 ; 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 ( ) 选 取 整 个 燃 烧 器 墙 壁 面 材 料 为 硅 材 料 , 并 3 设 置 外 墙 壁 面 的 热 传 递 系 数 为 : 2 0 0 2 / ( ? ) , 热 辐 射 系 数 为 , 整 个 墙 壁 面 的 W m K 0 . 8 5 导 热 系 数 为 / ( ? ) ; 1 4 9 W m K ( ) 假 设 整 个 燃 烧 器 外 围 空 间 的 温 度 为 4 , 混 合 气 体 进 入 燃 烧 器 入 口 温 度 也 为 3 0 0 K 。 图 当 量 比 为 时 氢 气 / 空 气 速 度 ( / ) 分 布 图 3 0 0 K 5 0 . 5 m s / 结 果 分 析 4 . 2 F i g . 5 V e l o c i t y d i s t r i b u t i o n o f f u e l a i r w i t h e q u i v a ? l e n c e r a t i o o f 0 . 5 分 析 上 述 计 算 结 果 , 可 以 看 出 : ( ) 从 图 可 以 清 楚 地 看 出 : 混 合 气 体 刚 进 入 1 5 ( ) 分 析 图 可 以 看 出 , 计 算 结 果 与 文 献 2 7 9 ~ 燃 烧 器 微 细 通 道 时 流 动 速 度 较 快 , 但 进 入 燃 烧 器 [ ] 利 用 三 维 模 拟 计 算 的 结 果 ( 如 图 所 示 ) 较 为 3 1 0朱 林 , 等 : 氢 气 / 空 气 当 量 比 对 微 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 第 期 1 1 2 2 1 9 一 致 。 其 中 图 非 常 类 同 ; 图 、 有 些 差 别 , 但 温 8 7 9 度 场 整 体 分 布 状 况 较 为 相 似 ; 图 计 算 情 形 文 献 6 [ ] 没 有 给 出 相 应 的 温 度 分 布 图 。 3 图 当 量 比 为 时 微 燃 烧 器 温 度 分 布 图 9 0 . 7 F i g . 9 T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c o m b u s t o r w i t h e q u i v a l e n c e r a t i o o f 0 . 7 图 当 量 比 为 时 微 燃 烧 器 温 度 分 布 图 6 0 . 4 F i g . 6 T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c o m b u s t o r w i t h e u i v a l e n c e r a t i o o f 0 . 4 q ( ) a 0 . 5 图 当 量 比 为 时 微 燃 烧 器 温 度 分 布 图 7 0 . 5 F i . 7 T e m e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c o m b u s t o r g p w i t h e q u i v a l e n c e r a t i o o f 0 . 5 ( ) b 0 . 6 图 当 量 比 为 时 微 燃 烧 器 温 度 分 布 图 8 0 . 6 F i g . 8 T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c o m b u s t o r ( ) c 0 . 7 w i t h e u i v a l e n c e r a t i o o f 0 . 6 q 图 新 加 坡 计 算 的 微 燃 烧 器 温 度 分 布 图 1 0 F i . 1 0 T e m e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c o m b u s t o r g p 分 析 上 述 计 算 结 果 , 可 以 看 出 选 择 不 同 的 初 w i t h d i f f e r e n t e u i v a l e n c e r a t i o s f r o m S i n a ? q g 始 条 件 是 造 成 差 异 的 最 主 要 原 因 。 图 与 图 6 ~ 9 p o r e 不 同 的 初 始 条 件 集 中 在 混 合 气 体 的 流 量 上 , 1 0 即 , 新 加 坡 高 性 能 研 究 所 设 置 混 合 气 体 的 初 始 流 果 较 为 吻 合 , 即 , 微 燃 烧 器 出 口 温 度 和 外 墙 壁 面 的 量 为 / , 本 文 设 置 的 混 合 气 体 的 初 始 流 量 为 0 . 2 s g 温 度 分 布 状 况 与 实 验 结 果 接 近 , 如 图 、 M I T 1 1 1 2 / 。 0 . 1 g s 所 示 。 经 过 分 析 , 相 关 数 据 缺 乏 导 致 的 计 算 误 差 将 上 述 计 算 结 果 与 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 相 关 是 实 验 与 数 值 分 析 差 异 的 主 要 原 因 : 实 验 结 果 对 比 , 计 算 结 果 与 文 献 [ ] 给 出 的 实 验 结 4光 学 精 密 工 程 第 卷 2 2 2 0 1 6 数 值 计 算 前 , 对 微 燃 烧 器 的 结 构 进 行 了 一 速 度 是 随 着 其 当 量 比 的 增 加 而 变 大 的 。 当 混 合 物 ? 定 的 简 化 处 理 ; 流 量 不 变 , 而 当 量 比 增 加 时 , 燃 烧 器 内 部 的 燃 烧 火 进 行 数 值 计 算 时 , 设 置 的 边 界 条 件 与 实 际 ? 焰 会 在 微 细 通 道 中 发 生 回 燃 。 这 样 , 来 流 的 氢 气 / 实 验 条 件 可 能 存 在 不 同 。 空 气 混 合 物 就 可 能 被 急 剧 加 热 , 使 其 温 度 迅 速 升 [ ] 3 高 , 并 超 过 其 着 火 点 温 度 ( ) , 进 而 在 微 细 8 5 8 K 通 道 中 发 生 燃 烧 ; 另 外 , 从 图 中 还 可 以 看 到 , 混 9 合 气 体 发 生 回 燃 时 , 微 细 通 道 墙 壁 面 的 温 度 达 到 甚 至 超 过 了 , 这 对 整 个 燃 烧 器 的 结 构 危 1 2 0 0 K 害 极 大 , 因 为 当 硅 材 料 受 到 的 温 度 超 过 时 , 9 0 0 K 其 屈 服 强 度 将 急 剧 降 低 , 发 生 软 化 , 进 而 出 现 蠕 变 [ ] 1 0 失 效 现 象 , 致 使 整 个 微 发 动 机 无 法 继 续 工 作 , 因 此 , 这 种 现 象 应 避 免 发 生 。 图 微 燃 烧 器 出 口 温 度 与 混 合 气 体 流 量 的 关 系 1 1 M I T 结 论 5 F i . 1 1 E x i t t e m e r a t u r e m e a s u r e m e n t s v s m a s s f l o w g p r a t e s f o r d i f f e r e n t f u e l ? a i r e q u i v a l e n c e r a t i o s 以 美 国 麻 省 理 工 学 院 研 制 的 硅 基 六 晶 片 微 燃 烧 器 为 研 究 对 象 , 在 考 虑 氢 气 / 空 气 的 流 体 动 力 学 特 性 、 传 热 学 特 性 及 其 详 细 化 学 反 应 机 理 的 基 础 上 , 采 用 二 维 数 值 模 拟 的 方 法 , 研 究 氢 气 / 空 C F D 气 当 量 比 对 微 尺 度 燃 烧 器 燃 烧 特 性 的 影 响 程 度 , 结 果 表 明 : ( ) 利 用 二 维 数 值 模 拟 的 方 法 研 究 微 尺 1 C F D 度 燃 烧 器 燃 烧 特 性 是 可 行 的 , 虽 然 所 得 到 的 计 算 结 果 与 相 关 文 献 有 些 差 别 , 但 差 别 不 大 , 得 到 的 温 度 场 分 布 状 况 与 国 外 相 关 实 验 结 果 较 为 吻 合 。 ( ) 在 固 定 混 合 气 体 流 量 , 改 变 其 当 量 比 的 情 图 微 燃 烧 器 外 墙 壁 面 温 度 与 混 合 气 体 流 量 2 1 2 M I T 的 关 系 况 下 , 较 低 的 当 量 比 容 易 使 燃 烧 器 内 部 发 生 熄 火 F i . 1 2 O u t e r w a l l t e