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热科学与技术 2022年第6期21卷 572-579页

作者：王恩宇史忠天唐世乾陈苗苗河北工业大学能源与环境工程学院河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室天津300401 河北工业大学能源与环境工程学院天津市清洁能源利用与污染物控制重点实验室天津300401

针对天然气等高热值气体燃烧氮氧化物排放高和多孔介质烧蚀问题,设计开发了变孔隙多孔介质燃烧试验系统,研究了不同燃烧器内芯结构的孔隙排列方式及冷却空气流量对燃烧温度及污染物排放的影响。结果表明:积木式结构外环孔密度呈阶梯状... 详细信息

针对天然气等高热值气体燃烧氮氧化物排放高和多孔介质烧蚀问题,设计开发了变孔隙多孔介质燃烧试验系统,研究了不同燃烧器内芯结构的孔隙排列方式及冷却空气流量对燃烧温度及污染物排放的影响。结果表明:积木式结构外环孔密度呈阶梯状排列比呈均匀型排列更有利于热量沿燃烧器径向传递;积木式结构的内芯孔密度呈阶梯状排列时,有利于提高燃烧室下游的温度;随着冷却空气流量的增大,冷却空气吸热量所占燃烧放热量的比例由23.62%增至70.87%,尾部烟气带走热量占燃烧放热量比例由71.65%降至21.63%,CO排放升高,NO排放最低降至标准状态下3mg/m^(3)。

关键词：变孔隙冷却边界多孔介质燃烧

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冷却边界条件下积木型泡沫陶瓷中燃烧特性及热流控制研究

冷却边界条件下积木型泡沫陶瓷中燃烧特性及热流控制研究

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作者：史忠天河北工业大学

学位级别：硕士

多孔介质燃烧技术相比于传统的自由空间火焰燃烧,是一种高效、清洁的新型燃烧技术。但由于多孔介质燃烧具有“超焓”特性,会使得燃烧温度远远高于常规的自由火焰温度,造成氮氧化物排放量高和多孔介质材料烧蚀的问题。本文通过试验和数... 详细信息

多孔介质燃烧技术相比于传统的自由空间火焰燃烧,是一种高效、清洁的新型燃烧技术。但由于多孔介质燃烧具有“超焓”特性,会使得燃烧温度远远高于常规的自由火焰温度,造成氮氧化物排放量高和多孔介质材料烧蚀的问题。本文通过试验和数值模拟相结合的方法,对冷却边界下积木型泡沫陶瓷中的燃烧和换热特性进行研究,并总结出一种使燃烧放热量有效向外迁移的孔隙结构优化方案,达到控制热流的目的,实现了高热值气体高效燃烧和低污染排放的目标。通过建立冷却边界下积木型泡沫陶瓷燃烧试验系统,在孔隙结构为15-25-20-10型的积木型多孔介质燃烧换热器中完成了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了稳定燃烧时的温度分布特性、冷却水室壁面换热特性和污染物排放特性随燃烧强度和冷却边界条件的变化。在当量比为0.9、燃烧强度为208.3～625.0 k W/m和冷却水流量为1.2～3.6L/min的条件下,冷却率可达到86%～98%,冷却水室壁面平均换热系数为606.2～800.3W·m·℃,CO排放为20～75 mg/m,NO排放为13～24 mg/m。随着燃烧强度增大,燃烧室中心处的局部高温区范围增大,最高温度提升850℃,冷却率降低,冷却水室壁面平均换热系数先增加后减小,CO排放降低,NO排放增加;随着冷却水流量的增加,燃烧室整体温度降低,最高温度降低80℃,冷却率增加3%,平均换热系数增大,CO排放增加,NO排放降低。针对横向和双向孔密度变化的10种类型的具有冷却边界的燃烧室内芯结构进行了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了在当量比为0.9、燃烧强度为312.5 k W/m和冷却水流量为1.2 L/min条件下稳定燃烧时的温度分布、温升速率、冷却水室壁面换热特性及污染物排放特性。结果表明:对于横向孔密度的变化,沿横向孔密度阶跃递增排列或增大平均孔密度都不利于热量的传递;对于沿双向孔密度变化率方向单一变化的结构,横向孔密度变化率相同,沿纵向孔密度阶跃递减排列相比于阶跃递增和均匀排列更有利于热量沿横向传递;优化结构应采用沿双向孔密度变化率方向多变型并且沿双向孔密度均阶跃递减5 PPI排列的T30-25-20-15型,其整体温度最低,温升速率最小(13.9℃·min),冷却水室壁面的平均换热系数最大(747.1 W·m·℃),冷却率最高(接近100%),NO排放最低(14 mg/m)。针对三种泡沫陶瓷长度的孔隙结构为15-25-20-10型的多孔介质燃烧换热器进行了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了在当量比为0.9、燃烧强度为208.3～520.8 k W/m和冷却水流量为1.2～3.6 L/min的条件下稳定燃烧时的温度分布、壁面换热特性及污染物排放特性。结果表明:泡沫陶瓷长度由140 mm增至180 mm,多孔介质中整体温度上升,出口烟气温度降低,冷却率增加(6%～14%),CO排放降低,NO排放增加。为了对试验章节进行补充和印证,通过建立三维多孔介质燃烧换热器模型,数值模拟研究了冷却边界下不同孔隙结构多孔介质中燃烧温度分布特性、辐射热流密度分布及换热面总的热流密度分布特性。结果得出在所有孔密度变化型结构中,优化型结构T30-25-20-15型在燃烧室中心处的高温范围最小,沿横向的辐射热流密度更加均匀,换热面上总的热流密度最大。

关键词：孔密度变化多孔介质燃烧冷却边界换热特性热流控制

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基于FEM的冷却下金属-FGM-陶瓷复合EFBF板瞬态热应力研究

基于FEM的冷却下金属-FGM-陶瓷复合EFBF板瞬态热应力研究

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作者：肖春平河北工程大学

学位级别：硕士

功能梯度材料(以下简称FGM)是一种特殊的非均匀材料,它有许多传统材料无法比拟的优越性。由于FGM在航空航天、核反应堆、内燃机等领域广泛应用,被认为是高温应用下最有前途的复合材料之一,所以分析FGM热应力的大小以及分布就显得十分重... 详细信息

功能梯度材料(以下简称FGM)是一种特殊的非均匀材料,它有许多传统材料无法比拟的优越性。由于FGM在航空航天、核反应堆、内燃机等领域广泛应用,被认为是高温应用下最有前途的复合材料之一,所以分析FGM热应力的大小以及分布就显得十分重要。本文根据热弹性理论,从计算力学的角度,研究冷却边界条件下夹FGM金属/陶瓷复合EFBF板瞬态热传导问题的有限元法和热应力问题的数值积分法、计算程序的实现,瞬态热传导和瞬态热应力分布规律以及影响因素,主要进行了如下研究工作。从热传导问题的泛函出发,证明FGM板瞬态热传导问题泛函的存在性,并建立夹FGM金属/陶瓷复合板瞬态热传导问题的泛函。然后,在空间域内,采用变分有限元法;在时间域内,采用有限差分法,推导出夹FGM金属/陶瓷复合板热传导有限元法基本方程,并开发其有限元法计算程序。在此基础上,建立板内热应力方程,热应力计算的数值积分采用辛普生算法。验证了研究方法的正确性,结合算例,通过数值计算,得到了冷却边界条件下夹FGM复合EFBF板瞬态温度分布和相应的热应力分布规律,并主要研究了梯度层厚度变化和梯度层组分变化等因素对FGM复合板瞬态温度分布和热应力的影响。研究结果表明:梯度层厚度hFGM发生变化时,温度曲线亦发生明显的变化,随着梯度层厚度的增加瞬态温度曲线的上升趋于平缓。这种有规律的现象可见随着夹FGM金属/陶瓷复合板中FGM夹层厚度的增加,温度场曲线变缓,温度梯度变小。表明了梯度层厚度对温度变化的缓和作用,梯度层厚度越大,缓和作用越明显。在其它条件相同的情况下,材料组分的分布形状系数M发生变化时,温度曲线亦发生明显的变化。其中,尤其是在瞬时t=0.0032 s,M=0.1时的瞬态温度曲线较M=1、M=10时出现了明显的转折点。可见,采用的材料组分的分布形状系数M不同,瞬时温度分布曲线表现出不同的弯曲度。因此,材料组分的分布形状系数M的变化对板的瞬态温度分布有明显的影响。研究结果表明:随着梯度层厚度的增大,夹FGM金属/陶瓷复合板内瞬态热应力场分布曲线趋于平缓,温度梯度变小。梯度层厚度越大,金属侧的拉应力越小,陶瓷侧压应力越小,夹FGM金属/陶瓷复合板从金属侧的拉应力到陶瓷侧的压应力过渡越平缓。对比分析可知,金属侧的最大拉应力减小56.8%,陶瓷侧的最大压应力减小6.5%。可见梯度层厚度对复合板的热应力有一定的缓和作用。在其它条件相同的情况下,材料组分的分布形状系数M发生变化时,夹FGM金属/陶瓷复合EFBF板的瞬态热应力曲线的形状、弯曲程度、变化趋势以及最大拉、压应力的值亦发生明显的变化;M值越大,金属侧的拉应力越小,陶瓷侧压应力越小。对比分析可知,金属侧的最大拉应力减小43.8%,陶瓷侧的最大压应力减小58.1%。因此,分布形状系数M的变化对复合板的瞬态热应力分布有明显的影响。本文结论为夹FGM金属/陶瓷复合EFBF板的制备以及优化设计提供理论计算和分析依据。

关键词：夹FGM金属/陶瓷复合板瞬态热应力有限元法数值积分法冷却边界

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热流密度和材料物性对零件传热的影响

热流密度和材料物性对零件传热的影响

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作者：邵颖慧浙江大学

学位级别：硕士

内燃机工作过程中,燃烧室零部件的温度及其分布直接决定了其工作的可靠性和寿命。因此,研究受热零部件的温度分布和传热情况对指导内燃机设计有着重要的意义。本文针对高功率密度柴油机高热流密度传热的特性,以燃烧室零部件为对象,开展... 详细信息

内燃机工作过程中,燃烧室零部件的温度及其分布直接决定了其工作的可靠性和寿命。因此,研究受热零部件的温度分布和传热情况对指导内燃机设计有着重要的意义。本文针对高功率密度柴油机高热流密度传热的特性,以燃烧室零部件为对象,开展材料物性及热流密度对受热零部件传热影响的研究。文中利用有限元计算和试验验证的手段,建立了正确的计算模型,在此基础上应用所建立的模型计算分析了不同材料物性、热流密度、冷却条件下的受热零部件热状态变化。本文主要工作有：1.采用一维大平板模型进行材料物性温变效应的研究,并将不同物性参数、不同热流密度条件下的计算结果与实验结果进行对比分析。2.建立缸盖及冷却水套的有限元模型,并基于上述材料物性温变效应的分析基础,对缸盖在不同热流密度、不同材料物性、不同冷却条件(冷却水流量、水腔结构)下的热状态进行计算分析。3.建立活塞有限元分析模型,基于材料物性温变效应的分析基础,对活塞在不同热流密度,不同材料物性,不同冷却条件(冷却油腔结构、冷却油腔换热系数)下的热状态进行计算分析。4.探寻并总结不同因素对缸盖及活塞热状态的影响规律,为今后各影响因素之间的耦合分析及柴油机零部件的设计提供依据。

关键词：柴油机零部件热状态热流密度材料物性冷却边界数值计算

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