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硅基微尺度燃烧器燃烧特性与结构失效的研究

作　者: 朱林
导　师: 孔凡让
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密机械与仪器
关键词: 微尺度燃烧器基元化学反应燃烧特性基于特征的建模技术虚拟装配技术爆炸技术有限元分析方法回燃失效机械模糊可靠性设计
分类号: TM619
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

基于燃烧的微发电系统是一种新概念的电池,它将一个发电过程集成在数十立方厘米甚至数立方厘米的空间内,具有化学电池无法比拟的优越性,因此,成为目前世界各国关注和竞相研究的焦点和热点。本文以美国麻省理工学院研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象,采用数值计算的方法,开展小/微燃烧理论和技术,微燃烧器结构设计方面的应用基础性研究,主要包括如下内容:1、硅基六晶片微燃烧器燃烧特性的研究以氢气/空气为混合燃料,采用考虑了基元反应动力学机理燃烧程序的二维CFD数值分析方法,主要研究微尺度下燃料混合当量比、燃料流速、燃烧器壁墙传热系数对该尺度燃烧器燃烧特性的影响,重点探讨该燃烧器发生熄火、回燃的症结,并将所计算的结果与美国麻省理工学院的实验结果进行比较,以检验所使用方法的正确性。2、微燃烧器结构的虚拟装配技术的研究通过对目前微燃烧器结构设计方法的研究,提出利用机械虚拟装配技术完成微燃烧器的结构设计,主要研究利用基于特征的零件实体建模技术构建微燃烧器各个晶片的方法,研究利用虚拟装配技术模拟具体实际装配过程完成微燃烧器结构的方法、研究采用干涉检验技术、爆炸技术检查整个燃烧器结构正确性的方法,并将所研究的结果与新加坡高性能研究所构建微燃烧器的方法进行对比,以验证所研究方法的正确性、可行性和优越性。3、微燃烧器的结构失效的研究在上述燃烧器燃烧特性、结构设计的研究基础上,以硅基六晶片微燃烧器为研究对象,采用理论和数值计算相结合的方法,在不考虑微燃烧器加工过程中残余应力的前提下(由于实验经费、实验设备的缺乏),首先,在不发生回燃、发生回燃两种情形下,分别对微燃烧器结构进行应力、应变分析,然后引入机械模糊可靠性设计方法预测该燃烧器的结构寿命,并将所计算的结果与美国麻省理工学院的实验结果进行比较,以检验所使用方法的正确性。综上所述,本文提出利用二维CFD数值计算方法,在考虑多步基元化学反应机理的基础上,研究微尺度燃烧器燃烧特性及火焰的稳燃机理;提出利用机械虚拟装配技术构建微燃烧器的结构,并在此基础上,对处于运行过程中的微燃烧器结构进行应力、应变分析,最后,提出利用机械模糊可靠性设计方法估算微燃烧器的寿命,探索了一套研究微尺度燃烧器的新思路和新方法,为以后微尺度燃烧器性能优化打下坚实的基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-38
  1.1 课题的背景及意义  12-16
  1.2 国内外研究现状  16-31
    1.2.1 微能源系统的研究现状  16-21
    1.2.2 微尺度燃烧器的研究现状  21-30
    1.2.3 本章小结  30-31
  1.3 本论文研究的内容和目标  31-32
  参考文献  32-38
第二章微尺度燃烧理论和微尺度效应  38-58
  2.1 燃烧化学热力学与动力学基础  38-42
  2.2 层流预混燃烧理论  42-44
  2.3 热传递中的尺度  44-47
    2.3.1 热传导中的尺度  44-46
    2.3.2 热对流中的尺度  46-47
  2.4 计算流体动力学基础  47-52
    2.4.1 计算流体动力学定义及特点  47-48
    2.4.2 计算流体动力学与理论分析、实验测试的区别和联系  48-49
    2.4.3 流体和流动的基本特性  49-52
  2.5 微尺度燃烧面临的挑战  52-55
    2.5.1 微尺度燃烧的准则数  52-54
    2.5.2 微尺度燃烧面临的挑战  54-55
  2.6 实现微尺度稳定燃烧的方法  55-57
  参考文献  57-58
第三章微尺度燃烧器燃烧特性的分析  58-98
  3.1 引言  58-59
  3.2 燃料的选择  59-61
  3.3 微尺度燃烧器模型的建立  61-67
    3.3.1 微尺度燃烧器几何模型的建立  61-67
  3.4 微燃烧器燃烧计算过程  67-82
    3.4.1 网格划分  68-75
    3.4.2 微燃烧器的网格划分  75-76
    3.4.3 计算模型  76-81
    3.4.4 气相反应机理  81-82
  3.5 计算结果与讨论  82-93
    3.5.1 氢气/空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响  82-87
    3.5.2 氢气/空气流量对微燃烧器燃烧特性的影响  87-90
    3.5.3 微燃烧器壁墙的热损失率对其燃烧特性的影响  90-93
  3.6 本章小结  93-95
  参考文献  95-98
第四章硅基微燃烧器中基于特征的零件实体建模技术及装配实践  98-123
  4.1 引言  98-102
  4.2 基于特征的零件实体建模技术  102-108
    4.2.1 特征的定义及分类  103-107
    4.2.2 基于特征的零件实体建模方法  107-108
  4.3 基于特征的零件实体建模的设计实例  108-110
    4.3.1 零件实体的特征分析  109-110
  4.4 硅基六晶片微燃烧器的虚拟装配  110-118
    4.4.1 虚拟装配的定义  110-111
    4.4.2 虚拟装配涉及的一些主要问题  111-114
    4.4.3 应用实例  114-118
  4.5 本章小结  118-120
  参考文献  120-123
第五章微尺度燃烧器结构失效分析  123-180
  5.1 引言  123-124
  5.2 微尺度燃烧器制作方法及过程  124-132
    5.2.1 深层反应离子刻蚀技术  124-126
    5.2.2 照相光刻技术  126-128
    5.2.3 键合技术  128-129
    5.2.4 微燃烧器的主要制造方法  129-132
  5.3 微燃烧器结构的有限元分析  132-149
    5.3.1 有限元法概述  135-138
    5.3.2 不发生回燃时微燃烧器的有限元分析  138-142
    5.3.3 发生回燃时微燃烧器的有限元分析  142-149
  5.4 微燃烧器结构寿命的估算  149-174
    5.4.1 模糊数学的基础  151-157
    5.4.2 机械模糊设计准则  157-161
    5.4.3 基于模糊设计准则的可靠性设计  161-169
    5.4.4 应用实例  169-174
  5.5 本章小结  174-176
  参考文献  176-180
第六章结束语  180-186
攻读博士学位期间发表的学术论文及工作  186-189
致谢  189

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