微尺度燃烧特性及微能源系统的研制

论文摘要

微型飞行器和便携电子设备等微小器件对高能量密度、长时间供能的微能源系统提出了迫切需求。本文进行了不锈钢微燃烧／透平发电机的系统设计、微燃烧器的设计和燃烧特性的实验研究，并进行了微燃烧／透平发电机系统的集成和性能测试。 轮周效率是设计微燃烧／透平发电机所追求的重要性能指标，涉及较多参数的选取，微透平的叶片型线是由一组特征参数和特征方程控制的曲线，所以微燃烧／透平的系统设计和叶片型线设计是需要不断优化的过程。为了提高设计和分析效率，本文在VC++6.0和ObjectARX编程环境下，二次开发AutoCAD，开发了集微尺度燃烧／透平的热力设计、气动设计、型线设计和绘图于一体的微燃烧／透平CAD软件系统。运用该系统，用户可以以人机对话的方式方便的实现微燃烧／透平发电机的热力设计、气动设计和透平叶片的型线设计，通过修改设计参数和控制参数，可以方便的计算不同设计参数下的轮轴效率和绘制不同的透平型线，并最终实现微燃烧／透平发电机的优化设计和自动绘图，大大提高了设计效率。 为了考察微燃烧室的燃烧特性，论文进行了三种不同燃烧室的氢气燃烧实验。进行了不锈钢微管的氢气预混燃烧实验，获得了微尺度燃烧火焰的型态、燃烧室壁面温度随过量空气系数和燃气质量流量的变化关系。通过比较和分析带有突扩段和不带突扩段的不锈钢管燃烧室的燃烧特性，验证了突扩段对微尺度燃烧具有稳定火焰的作用，因此在微燃烧室的设计中应优先加以考虑。 进行了微尺度环形燃烧器的氢气预混燃烧，发现在间隙为2min的微燃烧室内可以实现稳定的氢气预混燃烧，并且具有较宽的燃烧运行界限，最高过量空气系数可达4.5。计算了微燃烧器的壁面散热率，结果表明，微尺度燃烧器的热损失率较大，甚至超过燃烧热功率的70％。在微坏型燃烧器的基础上，开发了具有“C”型结构微燃烧室的全回热型微燃烧器，并进行了预混进气和分别进气两种进气方式下的氢气燃烧实验。预混进气时，微燃烧器的燃烧运行界限与微环型燃烧器基本相当，最高过量空气系数为5.0左右；而分别进气时，微燃烧器的燃

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微能源系统的研究现状
• 1.2.2 微型热机和微透平转子的研制概况
• 1.2.3 微尺度燃烧的研究进展
• 1.2.4 本章小结
• 1.3 本论文研究内容及目标
• 第二章 微尺度燃烧理论和微尺度效应
• 2.1 燃烧化学热力学与动力学基础
• 2.2 层流预混燃烧理论
• 2.3 微尺度燃烧/透平的尺度效应和面临的挑战
• 2.3.1 微尺度燃烧的准则数
• 2.3.2 微尺度燃烧的尺度效应和面临的挑战
• 2.3.3 透平的微尺度效应和面临的挑战
• 2.4 实现微尺度燃烧的方法
• 第三章 微燃烧/透平CAD软件系统的开发
• 3.1 微燃烧透平的整体方案设计和架构
• 3.1.1 微燃烧/透平发电机的整体架构
• 3.1.2 微燃烧/透平发电机的燃料选择
• 3.2 微燃烧/透平CAD软件系统开发的必要性
• 3.3 微燃烧/透平CAD软件系统的开发过程
• 3.3.1 软件系统的开发环境
• 3.3.2 ARX程序结构和运行
• 3.3.3 参数化绘图的原理和优点
• 3.4 微燃烧/透平CAD软件系统的功能模块和系统开发
• 3.4.1 微燃烧/透平CAD软件系统的整体构架
• 3.4.2 微燃烧/透平热力设计模块
• 3.4.3 微燃烧/透平气动设计模块
• 3.4.4 微燃烧/透平设计结果与实际加工工艺的冲突
• 3.4.5 微透平叶片型线设计和自动绘图模块
• 3.4.6 微燃烧/透平CAD软件系统的结果
• 第四章 不锈钢微燃烧器的热态性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 微小尺度不锈钢管的燃烧实验
• 4.2.1 实验装置和测试系统
• 4.2.2 实验数据处理
• 4.2.3 不确定度分析
• 4.2.4 实验结果分析
• 4.2.5 实验小结
• 4.3 微尺度环形燃烧器的燃烧特性
• 4.3.1 实验装置和测试系统
• 4.3.2 实验数据处理
• 4.3.3 实验结果分析与讨论
• 4.3.4 实验小结
• 4.4 回热型微燃烧器的燃烧特性
• 4.4.1 实验装置和测试系统
• 4.4.2 实验数据处理
• 4.4.3 实验结果分析与讨论
• 4.4.4 实验小结
• 4.5 回热型微燃烧器和微环型燃烧器的燃烧性能比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 微燃烧/透平发电机的系统集成和实验研究
• 5.1 微燃烧/透平发电机的系统集成
• 5.1.1 微燃烧/透平发电机系统集成的关键技术问题
• 5.1.2 改进后系统的集成过程和总体结构
• 5.2 微燃烧/透平发电机的冷态实验
• 5.2.1 实验装置图和测试系统
• 5.2.2 实验数据处理和实验结果
• 5.3 微燃烧/透平发电机的热态实验
• 5.3.1 微燃烧/透平发电机的改进
• 5.3.2 不同负载下微燃烧/透平发电机的动态性能
• 5.3.3 微燃烧/透平发电机的热态实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文