微型燃烧器内强化换热及甲烷催化重整燃烧特性研究中文摘要

便携式高效微动力装置在国防、军事和航空领域有广阔的应用前景，但因微型燃烧动力装置燃烧空间极小，存在常规燃烧难以进行，燃料驻留时间急剧缩短，燃烧不完全，燃烧室面-容比增大，热量损失严重等急需解决的问题。采用何种措施使燃料保持高效稳定燃烧已成为微燃烧技术急需解决的关键问题。课题针对微型燃烧器中碳氢燃料预混、强化传热、催化重整及燃烧技术中关键问题展开研究，包括理论数值分析、实验研究两个方面。将微型燃烧器划为预混腔与燃烧腔，通过优化结构、采取强化传热措施，提高预混和换热效果，进而提高甲烷的催化燃烧效率；研究并弄清在优化后微型燃烧器内的预混与传热特性；预混腔内甲烷/湿空气在低温（200℃-700℃）下催化重整产氢特性与关键控制参数；燃烧腔内甲烷的催化燃烧特性与关键控制参数；得到燃烧器内能明显改善甲烷燃烧性能的极限氢气浓度；揭示微型燃烧器内预混传热特性、CH4/湿空气催化重整反应机理和燃烧行为。

便携式高效微动力装置在国防、军事和航空领域有广阔的应用前景，但因微型燃烧动力装置燃烧空间极小，存在常规燃烧难以进行，燃料驻留时间急剧缩短，燃烧不完全，燃烧室面-容比增大，热量损失严重等急需解决的问题。采用何种措施使燃料保持高效稳定燃烧已成为微燃烧技术急需解决的关键问题。课题针对微型燃烧器中碳氢燃料预混、强化传热、催化重整及燃烧技术中关键问题展开研究，包括理论数值分析、实验研究两个方面。将微型燃烧器划为预混腔与燃烧腔，通过优化结构、采取强化传热措施，提高预混和换热效果，进而提高甲烷的催化燃烧效率；研究并弄清了在优化后微型燃烧器内的预混与传热特性；预混腔内甲烷/湿空气在低温（200℃-700℃）下催化重整产氢特性与关键控制参数；燃烧腔内甲烷的催化燃烧特性与关键控制参数；得到了燃烧器内能明显改善甲烷燃烧性能的极限氢气浓度；揭示了微型燃烧器内预混传热特性、CH4/湿空气催化重整反应机理、燃烧行为。 2100433B

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热管道的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将不同颗粒结构的纳米流体与强化换热管相结合应用于换热设备中，对强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理进行研究，用于提高换热设备的换热效率。研究内容主要包括：将纳米颗粒微观结构的影响引入颗粒间相互作用力模型中，建立更高精度的纳米流体颗粒间相互作用力模型；耦合纳米颗粒间主要相互作用力和强化换热管主要结构参数，完成高阶复杂湍流模型的降阶处理，建立强化换热管内纳米流体湍流流动与传热的格子Boltzmann模型；研究纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒的分布规律；揭示纳米颗粒间相互作用力与强化换热管结构的耦合强化换热机理；分析纳米颗粒的微观结构对纳米流体稳定性和湍流流动与传热特性的影响，建立传热学与动力学特性的评价体系。该项目对于丰富纳米流体强化换热机理的研究、推动其应用有重要意义。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。

在20世纪70年代初期采用的是光滑管，换热管水平放置，制冷剂蒸汽走管内,管外走空气，主要用于空调器中制冷剂蒸汽的冷凝。为了强化管外的换热，一般在管外加翅片。许多研究者对于光滑管内的冷凝换热的机理进行了广泛的研究，换热管直径在3~以上，制冷剂为纯质制冷剂、近共沸混合物制冷剂及非共沸混合物制冷剂。

研究证实，冷凝换热的强度与流动状态密切相关，光滑管内的冷凝过程一般可分为环状流、分层流、波状流、团状流和柱状流，团状流和柱状流在冷凝过程的末端出现，不同的流动状态，冷凝换热系数的大小不同。而流动状态是由蒸汽的剪切力和重力的大小决定的，当蒸汽剪切力起主要作用时，流动表现为环状流，当重力起主要作用时，流动表现为分层流、波状流和团状流。