H_2空气预混燃烧模拟计算和散热的研究

　　H2空气预混燃烧模拟计算和散热的研究刘茂省，杨卫娟，周俊虎，周志军，张永生，岑可法（浙江大学能源清洁利用国家重点工况为基准工况，计算得到圆管内H/空气预混燃烧的基本特征。

　　基准工况火焰形状与（b）相同。在距入口左右的壁面处，预混气体开始着火燃烧，形成一个稳定的环形点火源，引燃离壁面较远的气体，火焰由壁面向中心传播，在距入口5mm左右处传至燃烧器中心，整个火焰面呈圆锥形。为基准工况沿长度方向的温度和散热曲线。在入口附近沿气流方向，因预混气体在近壁面处燃烧放热加热壁面，燃烧器壁温度迅速升高，在距入口2附近达到高温度。当火焰传至中心后，燃烧器中心气流温度开始急剧上升，在距入口7mn跗近处开始大于壁温，在距入口12附近达到高值，并在以后流动过程中基本保持稳定。燃烧器壁面通过辐射和对流方式向环境散热，散热强度沿长度方向的变化趋势与外壁温变化趋势相同，在入口段散热较大。辐射散热强度较大，占总散热强度的80~90且总散热强度越大，辐射散热强度所占比为沿燃烧器长度方向的不同横截面温度曲围为燃烧器壁面部分。由可知，垂直于气流流动方向的不同截面，燃烧区域及燃烧器壁的温度曲线形状差别很大。

　　入口附近，横截面温度曲线呈形，壁温大于气流温度，且内壁面与近壁面气流温度梯度较大，壁面对气体进行预热。随着气流流动，壁面附近气体开始燃烧，由于燃烧放热，壁面附近气体温度超过了壁面温度，而截面中心温度仍较低，横截面温度曲线转变为形。这时壁面附近燃烧产生的高温气体对壁面和内侧未燃烧气体进行加热，燃烧器壁温度变为内高外低。这和报道的计算结果相吻合。随着气流继续流动，火焰逐渐向中心传播，内部气体燃烧温度升高，而近壁面气体由于散热温度降低，使得形温度曲线的两个温度高点向中心移动，同时截面中心的温度快速升高。到距入口12的位置，温度曲线由形变为倒形，截面中心温度达到3壁面和环境参数对散热的影响在表1中的基本工况参数的基础上，通过改变燃烧器的壁面导热系数、燃烧器厚度、外壁面对流换热系数、环境温度和外壁面辐射系数中的某一个参数，来考察各个参数对燃烧和散热的影响。

　　31壁面导热系数对散热的影响维持基准工况其他参数不变的前提下，改变燃烧器壁面导热系数k考察了3~240WAm.K）范围内导热系数对H/空气微尺度燃烧火焰的影响，包括硅材料、石英、各种合金等微燃烧器可能用到的材料的导热系数都在这一范围内。计算得到的火焰形状差别很小，只是温度分布曲线有所不同。考虑到H在距离入口6处已燃烧了90故定义圆管0 ~6mm为燃烧段。

　　为燃烧段外壁温度随壁面导热系数的变化曲线。壁面导热系数增大，燃烧器外壁温度曲线变得平并不随壁面导热系数的增加而单调变化，当k人3Wm.K）增加到24Wm.K）时，入口壁温先升高再降低，在1Wm.K）时达到大。入口处壁温高于来流气体温度，加热气体，对于着火和火焰稳定起着重要的作用。

　　导热系数过低，沿轴向导热热阻大，壁面高温区的热量传到低温区的少，入口壁温升高有限；导热系数过高，沿轴向导热能力强，壁面高温区自身温度因向前后壁面传热而温度降低，从而导致入口壁温降低。从中可知，1在3~2Wm.K）范围（如石英）入口壁温较高，有利于燃烧稳定。

　　给出了燃烧段向外界散热强度随壁面导热系数的变化曲线。随着导热系数增加，散热强度呈非线性减少。当导热系数超过80Wm.K）时，燃烧段散热维持在7W左右，随导热系数增加而减少的幅度已很微弱。导热系数在3~20Wm.K）范围内，因存在外壁高温区，燃烧段散热较大，且随导热系数变化明显。但整个20mm长圆管的整体散热随导热系数增加而降低的变化并不明显，始终处于20~21W 32燃烧器壁面厚度对散热的影响燃烧器外壁温度随壁面厚度（保持内径不变）的变化趋势如所示。当燃烧器壁变厚时，器壁在气流流动方向上的导热热阻减小，使得燃烧器外壁面温度口壁温并不随壁面厚度的增加而单调变化，而是在壁厚05mm时达到大值。当壁厚从02mm增加到0.5mm时，入口壁温升高了152°C，当壁厚从0 5mm增加到1.5mm时，入口壁温单调降低，共降低了33自然对流散热系数和环境温度对散热的影响一般情况下微型燃烧器的对流散热条件变化范围不大，这里仅考察1分别为0WAm.K）、12WAni.K）、20WAni.K）个工况。自然对流散热系数对计算结果的影响主要表现在对燃烧器壁温的影响。从0可以看出，随着h增大，燃烧器壁面温度降低，但降低幅度不大。1为h不同时的散热情况。随h曾大，燃烧器对流散热增加，辐射散热减少，燃烧器总散热仅略有增加。而燃烧段散热变化不大，这表明燃烧器的对流换热强度对燃烧稳定的影响作用不大。

　　2和3为不同环境温度T条件下燃烧器外壁温度和散热曲线，3中横坐标平均传热温压是燃烧器外壁温度沿管长平均值T与环境温度T的差。从图中可知，环境温度对壁面温度的影响与自然对流曲线趋于平缓，d时外壁温度的增加而降低入散热系数的影响相似环境温度上升时壁面温度上升，整体散热仅变化1W左右。因为散热主要是辐射散热，辐射散热与温度呈四次方关系，当T远大于T时，T一T随T增加而减少得很慢，则散热强度减少很慢。

　　34壁面辐射系数对散热的影响4和5为不同壁面辐射系数时外壁温度和散热曲线图。不同壁面辐射系数条件下，外壁温度曲线形状相同，温度值和辐射散热量随壁面辐射系数增加而增加较大。当壁面辐射系数从0.2增加到08时，外壁温将下降300 ~500K高壁温处温度下降幅度大，同时壁温高点呈后移趋势。在这个变化过程中，辐射散热量增加43燃烧段散热增加33.计算过程中还发现，当壁面辐射系数取1时，由于辐射散热过快，使得壁温过低，气体将无法稳定燃烧。壁面辐射系数对燃烧的影响实质上也是散热条件对燃烧的影响。但是由于外壁面温度较高，壁面辐射散热量相对较大，壁面辐射系数对燃烧的影响要比自然对流散热系数的影响更壁面散热减小，同时壁面温度、散热与环境温度变化之间有明显的非线形关系。当环境温度与壁温差异较大时，即传热温差较大时，环境温度变化对散热影响较4结论H/空气在2圆管内预混燃烧火焰呈圆锥形，火焰由近壁面向中心发展。燃烧器截面温度曲线小如图。妨所盔环境温度为C唧00eK燃烧口到出笕历石由；dU，的变化过程。“U‘形温度段对应壁面加热预混气体的过程，”M“形温度段对应预混燃烧火焰由近壁面向中心传播的过程，倒”U’形温度段对应燃烧后气体对外散热过程。

　　微燃烧器中心高温度点出现在外壁温度高点之后，两者并不重合。微燃烧器对外散热量较大，约占总输入热的10左右，其中燃烧段散热约占5.辐射散热在壁面散热中占主导地位，占总散热的80~90，壁面辐射系数变化对壁温、燃烧器散热影响较大。燃烧器设计时应注意材料的辐射系数，薄外壁、低辐射系数的材料有利于减少散热和增加燃烧稳定性。

　　对微燃烧而言，燃烧器壁厚增加使燃烧器散热增加，反而不利于降低燃烧器散热。在一般情况下，改变燃烧器外壁与环境的对流换热强度以及环境温度对燃烧器散热影响较小。

　　燃烧器入口处壁温与壁面导热系数、壁厚不呈单调变化趋势。在导热系数为3~20Wm.K）壁厚为1mm左右时，燃烧器入口处壁温较高，有利于稳定燃烧。