微型预混腔结构对流动分布均匀性及混合特性的影响.pdf

http:/-1-微型预混腔结构对流动分布均匀性及微型预混腔结构对流动分布均匀性及 混合特性的影响混合特性的影响1 张力，闫云飞，唐强 重庆大学能源与环境研究所,重庆（400030）摘摘 要：要：由于微型燃烧器尺寸大大缩小，气体的驻留时间急剧缩短。通过提高微型预混腔内流动的分布均匀性和混合效果来提高微型燃烧器的燃烧效率和稳定性显得更为重要。对微型预混腔内流场分布以及预混腔的燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离和二次燃料入口数量对微型预混腔内流动分布均匀性及混合特性的影响进行了数值研究。得到了各结构因素对微型预混腔内流动分布均匀性及混合特性的不同程度影响结果，对设计高效的微型预混器有重要的指导借鉴意义。关键词：关键词：微型；预混腔；流动；均匀性；预混系数 中图法分类号：中图法分类号：TF058 1.引言引言 当前，微型器件已广泛应用于机械、航空航天、生物医疗、化学分析等领域，而微型器件的流动特征尺寸多为毫米、微米级，与分子平均自由程是可比拟的，需要考虑稀薄气体流动是否存在。Beskok1指出了适当的流动与传热模型取决于努森数Kn的范围。微型器件内流体的流动特性是微型器件设计时非常关心的问题2-3。随着微型器件通道长度和孔径的减小，气体均匀混合的难度也进一步增大。对于微混合反应体系，当混合速度小于反应速度时，混合时间将成为决定反应完成时间的关键因素，进而成为限制整个系统工作时间的瓶颈，因此在微尺度下如何实现流体的快速高效混合，成为目前重要的研究课题之一4-5。在微系统中低速流动的流体，雷诺数一般较低，多为层流，流体混合主要依靠分子扩散，而不是宏观下的对流扩散。在最近几年发展起来的基于碳氢为燃料，体积为1cm3量级，能产生约10-100W功率的微型发动机引起了世界各国的普遍关注6-8。由于尺寸大大缩小，燃料在微燃烧器内的驻留时间也急剧缩短。且燃烧器的面容比增大，热量损失严重，易出现燃烧不完全和着火不稳定等现象。因常规发动机燃烧器的停留时间相当大一部分是用于燃料与空气的混合，所以对微型燃烧器设置预混腔，采用燃料与空气预先混合的方法降低停留时间的限制。微型预混腔内气体的流动分布均匀性和混合特性是影响微燃烧器燃烧效率和稳定性的关键因素。本文主要研究微型预混腔结构对流动分布均匀性及混合特性的影响。2.物理及数学模型物理及数学模型 2.1 物理模型物理模型 文中的物理模型为微型燃烧器的环形预混腔，主要研究环形预混腔的燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离及二次燃料入口数量对流动分布均匀性及混合特性的影响。其中的一种结构见图 1 所示。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040611013）及重庆大学研究生科技创新基金（项目编号：200609Y1A0100169）的资助。http:/-2-预混腔由 6 个旋流槽道和环形腔组成，环腔外径 21mm，内径 14mm，高 0.5mm；空气入口圆直径为 1mm，旋流槽对称布置，槽宽 1mm，6 个燃料入口圆直径为 0.3mm，布置在预混腔旋流槽面上，燃料入口圆距微型燃烧器中心线 2mm。12 个燃气出口圆直径为 1mm，均匀布置在预混腔底面。空气从径向经旋流槽进入环形腔，燃料（CH4）从轴向进入旋流槽，两者垂直交叉混合，在预混腔内旋转流动并混合。2.2 数学模型数学模型 由于预混腔的空间尺度较小，在物理模型中，特征几何尺寸L为0.5mm，混合气体的分子平均自由程在6.910-103.810-9m之间，由Kn=/L，得出努森数Kn为1.3810-67.610-6，Kn10-3，仍可采用无滑移的连续介质模型。其雷诺数Re为56.513002300，故流动为层流。微型预混腔内的流动和传质过程主要受预混腔结构和流动特性的控制，不考虑空气与燃料（CH4）间的化学反应，其数学模型包括连续方程、组分方程、动量方程和理想气体状态方程等。连续方程：()0iiutx+=(1)组分方程：()()iiiJYuYt=+(2)动量方程：()()()jiijijijjiuupuu utxxxxx+=+(3)理想气体状态方程：iiYpRTM=(4)其中：是密度，t是时间，u是速度；iY是每种物质的质量分数，iJ是物质i的扩散通量，由浓度梯度产生，可记为：imiiYDJ=,，这里miD,是第i种物质的扩散系数；是动力粘性系数；p是压强，R是气体常数，T是温度，iM是 i 种物质的摩尔质量。3.计算网格及边界条件计算网格及边界条件 采用 Fluent 模拟流体的微流动。在高度及旋流槽宽度方向上网格大小取 0.1mm，其余取0.25mm，流体进、出口网格局部加密，不同结构预混腔的总网格数约为 9-17 万个。燃料（CH4）入口和空气入口采用质量入口边界条件，设定燃料（CH4）入口质量流量为 1.80610-6kg/h，按化学反应当量比，空气入口质量流量为 3.117510-5kg/h。考虑到在 CH4和空气在预混腔混合后，还要进入燃烧腔燃烧，故将燃气出口设置为流动出口边界条件。气体和壁面温度均图1 预混腔结构示意图 Fig.1 The structure character of premix chamberhttp:/-3-为 300K；壁面为无滑移等温边界条件。采用层流模型和 SIMPLE 算法。4.流动、混合均匀性计算及结果分析流动、混合均匀性计算及结果分析 文中所测数据的位置分别为预混腔内距燃气出口面 0.05mm 截面、空气入口截面和 12个燃气出口截面。保持燃料（CH4）和空气入口质量流量，气体和壁面温度 300K 不变，分别研究预混腔的燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离及二次燃料入口数量对微型预混腔内流动分布均匀性及混合特性的影响。所测气体的流速和 CH4的质量分数均按质量加权平均计算得到。流动、混合均匀性的计算采用 Weltens9等建立的评价流动分布特性的均匀性指数来表示流速/混合的均匀性程度。其均匀性指数计算公式为：=niivvvn12)(211 (5)式中为均匀性指数，在 0 和 1 之间变化，越大说明流动/混合分布越均匀；iv为测点处的流速或 CH4的质量分数；v为各测点的平均流速或完全混合时 CH4的质量分数，n 为测点数，出口测点数为 12。4.1 微型预混腔内流场分布微型预混腔内流场分布 图2为微型预混腔内距燃气出口面0.05mm截面处的流场分布，预混腔的结构如图1所示。图2中显示，预混腔内空气与CH4在旋流槽垂直交叉混合旋转流动，气流从旋流槽流出后，大部分气流已沿环型腔周向旋转流动，其中小部分气流与环型腔壁面发生碰撞后再沿周向旋转流动。旋流有利于气流更好的分散与扰动，有效地延长了气体在预混腔内的停留时间，加强了燃料（CH4）和空气的传质和混合。在靠近旋流槽出口处的燃气出口速度比其他出口稍大，但环型腔内气体的速度和燃气出口的速度分布已比较均匀。预混腔内分布均匀的速度场为对称布置的燃气出口流场的均匀分布起了至关重要的作用。4.2 燃料入口直径的影响燃料入口直径的影响 保持其他条件不变，研究燃料入口直径对燃料入口气流速度、燃气出口气流速度分布均匀性和气体混合特性的影响。图2 微型预混腔内流场分布图 Fig.2 Flow distribution in micro premixing chamber http:/-4-0102030405060700.10.30.50.70.9燃料入口直径(mm)燃料入口速度(m/s)0.01.02.03.04.05.012345678910 11 12各出口点出口速度(m/s)燃料入口直径为0.1mm燃料入口直径为0.3mm燃料入口直径为0.5mm燃料入口直径为0.7mm燃料入口直径为0.9mm 由图 3 可知，燃料入口速度随燃料入口直径的增大而减小。由理论计算可知，当入口流量一定时，入口速度与入口直径的平方成反比，与数值计算结果基本吻合。图 4 为燃气出口速度随燃料入口直径的变化。出口速度沿周向呈锯齿形分布，受燃料入口直径的影响很小，其对流动的影响只是燃料入口速度的改变，各出口速度的变化非常小。同理，在入口流量和出口直径、位置不变的情况下，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离及二次燃料入口数量的改变对各出口速度的影响都很小。0.930.940.950.960.970.980.9910.10.30.50.70.9燃料入口直径(mm)速度均匀/预混系数出口速度均匀系数出口预混系数 图 5 为燃气出口速度分布均匀性和出口预混系数随燃料入口直径的变化。出口速度分布均匀性几乎不随燃料入口直径的变化而变化，在气体流量、出口大小、位置不变时，燃料入口直径的改变只影响燃料入口速度，而燃料入口速度对出口速度分布的影响是微乎其微的。但出口预混系数随燃料入口直径的增大先增后减。在质量流量不变时，燃料入口直径增大，CH4的入口速度将急剧减小，入口动量减小，使 CH4射流穿透能力大大减弱，涡流和扰动强度也减小，不利于 CH4和空气在微型预混腔内的充分混合，出口预混系数减小。燃料入口直径较小时，上述现象得到改善，有利于气体间的相互传质，出口预混系数增大。但是 CH4入口直径过小时，CH4入口处 CH4和空气的接触面积也很小，分子扩散混合作用将急剧减小，且射流形成旋涡的大小和影响范围都将变小，出口预混系数减小。因此，就混合效果来说，并非燃料入口直径越小越好，微型预混腔内传质混合过程受射流动量和接触面积的共同影响，计算结果表明燃料入口直径为 0.3mm 时，出口预混系数可达到 0.99，混合效果最好。4.3 旋、直流槽数量的影响旋、直流槽数量的影响 保持其他条件不变，研究不同旋流槽数量(3-10 个)、直流槽（6 个）对燃料入口气流速度、燃气出口气流速度分布均匀性和气体混合特性的影响。图3 燃料入口速度随燃料入口直径的变化 Fig.3 Influence of CH4 inlet diameter on CH4 inlet velocity chamber 图4 燃气出口速度随燃料入口直径的变化 Fig.4 Influence of CH4 inlet diameter on outlet velocity 图5燃气出口速度分布均匀性和出口预混系数随燃料入口直径的变化 Fig.5 Influence of CH4 inlet diameter on the uniformity of outlet velocity and premixing inlet velocity http:/-5-024681012143468106旋/直流槽数量燃料入口速度(m/s)0.880.90.920.940.960.9813468106旋/直流槽数量速度均匀/预混系数出口速度均匀系数出口预混系数 由图 6 可知，燃料入口速度随旋流槽数量的增加基本上成线性减小。因每个旋流槽上均有 1 个燃料入口，旋流槽数量的增加实际上意味着燃料入口面积的增加，燃料入口流量一定时，入口速度与燃料入口面积成反比。同为 6 槽道的旋、直流槽，因燃料入口流量和入口面积一定，其入口速度也是相同的。图 7 表明，随着旋流槽数量的增加，燃气出口速度分布均匀系数有较大增加，同是 6 槽道的旋、直流槽，旋流槽式的出口速度分布均匀系数比直流槽式有较大提高，均匀系数从 0.92 提高到 0.96。这是由于旋流槽数量的增加，使旋流槽出口的分布相对于燃气出口更为均匀，燃气各出口的流量也更平均。相对于直流槽而言，旋流槽具有一定弧度，在旋流槽内就具有一定的周向旋流速度，加强了扰动，因而环型腔内其旋流速度要比直流槽高流动的距离也更远些，同一旋流槽出口流出的气体可以从更多的燃气出口流出，燃气出口的流量会更均匀一些。出口预混系数随旋流槽数量增加有小幅增加，当旋流槽数量大于 6 以后，出口预混系数变化更为平缓。随着旋流槽数量的增加，混合气体被分配到更多的旋流槽道内流动混合，旋流槽道内的气流速度也有所减小，流动混合时间变长，两种气体的总接触面积增大，有利于分子扩散和相互融合。而同是 6 槽道的旋、直流槽，旋流槽式的出口预混系数比直流槽式有所提高。由于旋流槽长度比直流槽长，且有一定的周向旋流速度，扰动得到加强，预混停留时间和扩散效果都比直流槽高，故其出口预混系数要比直流槽式高些。因此，预混停留时间、扰动强度和接触面积对微型预混腔内预混效果有具有重要影响。4.4 二次燃料入口距离的影响二次燃料入口距离的影响 微型预混腔内气体均匀混合的难度较大，为找到快速高效的混合，考虑增加二次燃料入口来提高预混效果。设旋流槽数量 6，一次燃料入口数量 6，燃料入口直径 0.3mm，二次燃料入口数量为 6 等条件不变，研究二次燃料入口距离对燃料入口气流速度、燃气出口气流速度分布均匀性和气体混合特性的影响。在入口流量和入口直径不变的情况下，二次燃料入口距离的改变对入口速度没有影响。图6 燃料入口速度随旋、直流槽数量的变化 Fig.6 Influence of numbers of arc-shaped and straight channel on CH4 inlet velocity 图7出口速度分布均匀性和预混系数随旋、直流槽数量的变化 Fig.7 Influence of numbers of arc-shape and straight channel on the uniformity of outlet velocity and premixing chamber http:/-6-0.950.960.970.980.991.0033.544.55二次燃料入口距离(mm)速度均匀/预混系数出口速度均匀系数出口预混系数 图 8 表明，随着二次燃料入口距离的增加，燃气出口速度分布均匀系数基本保持不变，在其他条件不变时，二次燃料入口距离的改变，几乎不影响燃气在各旋流槽内流量、流速，旋流槽出口和环形腔内的流场也不会有大的变化。因此，燃气出口速度分布均匀系数基本保持不变。而燃气出口预混系数随着二次燃料入口距离的增加出现下降，但在二次燃料入口距离大于 4mm 后，趋于平缓。流体在管道内流动时，距管道入口一定距离内，流体的扰动动能较大，对流体的传质混合有较大影响，这是入口效应作用的结果。随着二次燃料入口距离的增加，入口效应减小，当二次燃料入口超过一定距离后，二次燃料入口距离的改变对流体的传质混合就不再有影响。因此，在考虑增加二次燃料入口时，应注意二次燃料入口的位置，应适当靠近管道的入口。4.5 二次燃料入口数量的影响二次燃料入口数量的影响 保持旋流槽数量 6，一次燃料入口数量 6，燃料入口直径 0.3mm，二次燃料入口距离中心线 3mm 等条件不变，改变二次燃料入口数量，二次燃料入口在旋流槽上为对称布置。研究二次燃料入口数量对燃料入口气流速度、燃气出口气流速度分布均匀性和气体混合特性的影响。012345670236二次燃料入口数量燃料入口速度(m/s)0.820.840.860.880.900.920.940.960.981.000236二次燃料入口数量速度均匀/预混系数出口速度均匀系数出口预混系数 图 9 表明，随着二次燃料入口数量的增加，燃料入口速度减小。燃料入口流量一定时，燃料入口速度与燃料入口总面积成反比。二次燃料入口数量的增加意味着燃料入口总面积增加，则燃料入口速度减小。图 10 表明，随着二次燃料入口数量的增加，燃气出口速度分布均匀系数有略微增加，在其他条件不变时，二次燃料入口数量的增加，使燃料入口在整个环形腔的布置更均匀。但二次燃料入口数量的增加，相对于总燃料入口数量来说变化不大。从图8出口速度分布均匀性和出口预混系数随二次燃料入口距离的变化 Fig.8 Influence of the distance of second fuel inlets on the uniformity of outlet velocity and premixing velocity chamber图9 燃料入口速度随二次燃料入口数量的变化 Fig.9 Influence of the numbers of second fuel inlets on the inlet velocity 图10出口速度分布均匀性和预混系数随二次燃料入口数量的变化 Fig.10 Influence of the numbers of second fuel inlets on the uniformity of outlet velocity and premixing http:/-7-而使燃气出口速度分布均匀系数有所增加，但增加很小。而二次燃料入口数量为 3 和 2 时，不但不能提高燃气出口速度分布均匀性，反而会使原本比较均匀的旋流槽出口流量变得不均匀，造成燃气出口速度分布均匀系数下降。而燃气出口预混系数随着二次燃料入口数量的增加而增加。当二次燃料入口数量为 3 和2 时，相当于各旋流槽空气流量相同的情况下，布置二次燃料入口的旋流槽内 CH4的流量比其他旋流槽增加一倍，此旋流槽出口处混合物中 CH4的质量分数也要高出一倍。对环型腔来说，加剧了 CH4质量分数的不均匀分布，从而造成燃气出口预混系数的降低，比没有增加二次燃料入口时，还要低，以二次燃料入口数量为 2 时最严重。因此在考虑增加二次燃料入口时，应尽量从整体考虑，使各入口的分布更均匀，才能真正提高出口的预混系数。5.总结总结(1)燃料入口速度随燃料入口直径，二次燃料入口数量和旋流槽数量的增加而减小；在入口流量和直径不变时，二次燃料入口距离的改变对入口速度没有影响；在入口流量和出口直径、面积、位置不变的情况下，燃料入口直径，旋、直流槽数量，二次燃料入口距离及二次燃料入口数量的改变对各燃气出口速度的影响都很小。(2)燃气出口速度分布均匀性几乎不随燃料入口直径的变化而变化，但出口预混系数随燃料入口直径的增大先增后减。就混合效果来说，并非燃料入口直径越小越好。(3)随着旋流槽数量的增加，燃气出口速度分布均匀系数和预混系数有所增加。6 槽道的旋流槽式的出口速度分布均匀系数和出口预混系数比直流槽式有较大提高。预混停留时间、扰动强度和接触面积对微型预混腔内预混效果具有重要影响。(4)随着二次燃料入口距离的增加，燃气出口速度分布均匀系数基本不变。燃气出口预混系数随着二次燃料入口距离的增加而下降。(5)随着二次燃料入口数量的增加，燃气出口速度分布均匀系数和出口预混系数均有增加。当增加的二次燃料入口数量为 3 和 2 时，反而会造成燃气出口速度分布均匀系数和出口预混系数的下降。因此在考虑增加二次燃料入口时，应尽量从整体考虑，使各入口的分布更均匀，才能真正提高出口的预混效果。http:/-8-参考文献参考文献 1 Beskok A.Validation of a new velocity-slip model for separated gas micro flowsJ.Numerical Heat Transfer,2001,Part B,40(6):451471.2 丁英涛,姚朝晖,何枫 微细管内流动特性的数值分析J 清华大学学报 2003.43（5）686-689 3 徐洁,谷传纲,王彤 微槽道内气体流动的数值模拟J 上海交通大学学报 2004.10:1695-1698 4 余海燕，肖松山，陈禾 速度流型对微混合器混合效果的影响J 纳米技术与精密工程 2005.12：290-294 5 Kamholz A E,Yager P.Molecular Diffusive Scaling Law in Pressure-driven Microfluidic Channels:Deviation from One-dimensional Einstein Approximations.Sensors and actuatorsB,2002,82(1):117-121.6 Epstein A H,Senturia S D,et al.Micro-Heat Engines,Gas Turbines,and Rocket Engines-The MIT Microengine ProjectC.AIAA Fluid Dynamics Conference,1997,1-12.7 Christopher M.Spadaccini,Xin Zhang,et al.Preliminary development of a hydrocarbon-fueled catalytic micro-combustorJ.Sensors and Actuators,2003,A 103:219224.8 梁德旺，黄国平 厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展J 燃气涡轮试验与研究 2004.5:9-13.9 Weltens H,Bressier H,Terres F.Optimization of Catalytic Converter Gas Flow distribution by CFD Prediction.SAE Paper 930780,1993 Influence of the structure of micro premixing chamber on the uniformity of flow distribution and premixing characteristics Zhang Li,Yan Yunfei,Tang Qiang Institute of Energy and Environment,Chongqing University,Chongqing,China(400030)Abstract In the much smaller micro combustor,the presence time of gas had been dramatically reduced.It is much more important to improve combustion efficiency and stability of the micro-combustor by improving the uniformity of flow distribution and mixed results in micro premixing chamber.The flow distribution in micro premixing chamber is analyzed.The influence of the diameter of fuel inlets,the numbers of arc-shaped and straight micro-channel,the distance of second fuel inlets and the numbers of second fuel inlets on the uniformity of flow distribution and premixing characteristics are numerical investigated.The different influence of the structure of micro premixing chamber are gained.It is an important guide for designing of the high efficient micro premixed devices.Keywords:micro,premixing chamber,flow,uniformity,premixing coefficient 作者简介：作者简介：张力(1956)，男，博士，教授，重庆大学动力工程学院，从事清洁能源高效利用和燃烧及环境保护科研与教学工作。