微型转杯式燃烧器燃烧室流动和传热特性的数值模拟及实验研究

论文摘要

微型燃烧器的燃烧过程是一个复杂的物理化学现象,目前对此的了解只是来源于实验性的结论。因此,有必要对燃烧过程的可视化和数值解进行深入的研究和对设计原型机的性能进行有效的预测。随着燃烧理论的不断发展和计算机运算性能的不断提高,对微型燃烧器内部的流场分布、热交换和燃烧过程的数值模拟成为一种可能。本文就是基于Fluent软件对一款微型燃烧器内部的流场和换热过程进行了计算机数值模拟和实验研究。选用FLUENT中的RNG k-e湍流模型和耦合式换热模型为该微型燃烧器的数学模型,通过和实验结果相比对,对数学模型进行了多次拟合调整。分析最终数值模拟结果,对燃烧器的性能分析和结构改善提出了定性的参考建议。为了进一步改善燃烧器的流场分布、燃烧特性和提高换热性能,对影响燃烧器性能的12个因素在3水平下对燃烧器功率影响的显著性进行了正交试验模拟,最终找出了3个影响明显的结构参数,通过试验验证,证明数值模拟能够准确地反映实验规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 微型燃烧器燃烧室数值模拟研究背景和研究现状
• 1.2 用于燃烧器性能分析的几种计算流体力学商业软件
• 1.3 FLUENT软件在燃烧器流场和换热特性研究中的应用
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 燃烧器数值计算理论基础
• 2.1 流体动力学控制方程
• 2.2 湍流模型理论基础
• 2.2.1 湍流模型简介
• 2.2.2 RNG k-e模型的控制方程和参量涵义
• 2.3 换热模型理论基础
• 2.3.1 换热模型控制方程和相关参量
• 2.4 燃烧器燃烧模型理论基础
• 2.4.1 燃烧模型简介
• 2.4.2 反应模型的选择
• 2.4.3 非预混和燃烧模型介绍
• 2.5 小结
• 3 燃烧器计算流体力学模型的建立和控制计算
• 3.1 燃烧器物理模型
• 3.1.1 物理模型的描述
• 3.1.2 结构及工作原理:
• 3.2 燃烧器计算流体力学模型概述
• 3.2.1 CFD的求解过程
• 3.3 燃烧器机体几何模型的建立和网格划分
• 3.3.1 燃烧器几何模型描述
• 3.3.2 划分计算网格
• 3.4 燃烧器模型边界条件的定义
• 3.4.1 边界条件定义概述
• 3.4.2 边界条件的分类:
• 3.4.3 几种重要边界条件介绍
• 3.4.4 燃烧器模型边界条件的选择
• 3.5 定义材料属性和打开重力选项
• 3.6 燃烧器RNG k-e湍流模型的选择
• 3.6.1 选择燃烧器湍流模型
• 3.6.2 燃烧器RNG k-e湍流模型选择的理论依据
• 3.7 燃烧器耦合换热模型的选择
• 3.7.1 选择热交换流固耦合模型
• 3.8 燃烧器模型的求解控制参数
• 3.8.1 求解器简介
• 3.8.2 燃烧器CFD模型的求解器
• 3.9 求解器选项
• 3.10 小结
• 4 燃烧器模拟结果分析
• 4.1 微型燃烧器内部流动性分析
• 4.1.1 燃烧室内的流场分析
• 4.1.2 水室内的流场分析
• 4.1.3 燃烧器其他元件的流场简要分析
• 4.2 燃烧器换热性能分析
• 4.2.1 烟气侧热壁面温度分布分析
• 4.2.2 水侧热壁面温度分布分析
• 4.3 小结
• 5 改进燃烧器换热性能的CFD正交试验
• 5.1 正交试验法简介
• 5.1.1 基本概念
• 5.2 结合数值模拟的正交试验法在燃烧器性能改进中的应用
• 5.3 燃烧器CFD正交试验结果分析
• 5.3.1 方差分析法
• 5.3.2 直观分析法（因子与指标关系图）
• 5.3.3 影响最显著的四个因子在指标大小排序中的水平统计
• 5.3.4 正交试验中各特征点处的特征值统计图
• 5.4 对燃烧器CFD正交试验结论的实验验证
• 5.4.1 实验装置
• 5.4.2 实验方案
• 5.4.3 实验结果与分析
• 5.5 小结
• 6 结论及未来研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文