板式热回收燃烧器中预混甲烷-空气燃烧特性与热性能的优化研究：凸台-挡板结构的影响

本文针对微燃烧器存在的壁面热损失大、燃料停留时间短等挑战，通过三维数值模拟研究了预混甲烷-空气燃烧特性，重点分析了入口速度、当量比及凸台-挡板结构改进的影响。结果表明，凸台结构可促进回流区形成，将核心反应区面积扩大约46%，显著提升火焰稳定性。当入口速度超过1.5 m/s时，热损失降低，净热输出在速度从2.5增至3.5 m/s时提升超60%。当量比为1.0时，燃烧器在热释放（84.66 W）、热损失率（0.5979）和净热输出（34.09 W）间达到最佳平衡。该研究为高效微燃烧器优化设计提供了理论指导。

　　

Highlight

凸台结构对燃烧特性的比较

本研究通过比较五个关键方面（流场结构、温度分布、火焰形态、热特性及湍流动能）来探讨凸台-挡板结构对燃烧性能的影响。图4展示了所研究的两种微燃烧器的结构。

图5比较了无凸台和有凸台结构的燃烧器的速度场。在配备凸台的案例中，回流区出现在凸台下游和挡板附近，这增强了湍流-火焰相互作用，扩大了有效燃烧区域，并改善了火焰稳定性。核心反应区面积增加了约46%，这得益于凸台诱导的涡流结构。

温度分布分析（图6）显示，凸台结构促进了更均匀的高温区分布，最高温度区域更接近燃烧器中心，表明热释放更集中。火焰形态观察（图7）进一步证实，凸台有助于火焰锚定，减少振荡，提升燃烧效率。

热特性评估表明，入口速度超过1.5 m/s时，热损失率降低，而净热输出显著增加——当速度从2.5 m/s升至3.5 m/s时，净热输出提升超过60%。在当量比为1.0时，燃烧器达到最佳性能平衡：热释放84.66 W，热损失率0.5979，净热输出34.09 W。

湍流动能（TKE）分析（图8）揭示，凸台结构增强了局部湍流强度，这有利于混合和反应速率，但同时也增加了压力损失。总体而言，凸台-挡板设计在能量利用效率和火焰稳定性间取得了优化。

结论

为解决板式微燃烧器中火焰稳定性、热回收效率和压力损失的耦合挑战，本研究通过三维模拟引入并评估了凸台-挡板结构策略。主要结论总结如下：

• •
  1. 1.
     凸台-挡板构型与基线设计相比，将有效燃烧区扩大约46%，增强湍流-火焰相互作用，并提供更强的火焰稳定机制。