新型双层多孔介质微小燃烧器自输运液膜燃烧机理研究

为了开发高能量密度便携式液体燃料孤立微能源系统，针对目前微小空间内液体燃料燃烧速率和效率较低以及燃烧器热损失较大和结构复杂的不足，本项目创新性地将多孔介质内液体蒸发速率高的优点与液膜燃烧技术相结合，利用表面张力实现液体燃料的自动输运，采用回热技术回收微燃烧器的对外散热提高空气的热焓，实现多孔介质内液膜蒸发和与空气预混的同时进行，通过设计特殊的气流流动方式和进气方式，增大燃烧反应速度和强度，实现微小燃烧器内液体碳氢燃料的自输运液膜稳定高效燃烧，降低微小燃烧器的热损失，简化微小燃烧器的结构。通过对变孔隙率双层多孔介质微小燃烧器内液膜燃烧特性的实验研究，获得燃烧热功率、多孔介质参数、当量比对液体蒸发混合速率和微燃烧器燃烧性能的影响规律，从而获得双层多孔介质微小燃烧器自输运液膜燃烧机理，并开发不同功率的液体燃料微小燃烧器。项目的研究成果为高能量密度液体燃料孤立微能源系统的开发提供了科学依据。

为了开发高能量密度便携式液体燃料孤立微能源系统，针对目前微小空间内液体燃料燃烧速率和效率较低以及燃烧器热损失较大和结构复杂的不足，本项目首先开发了平板型多孔介质微燃烧热发电系统，采用数值模拟和实验方法考察了燃烧功率、过量空气系数、多孔介质参数、壁面材料对微燃烧器的温度场的影响，结果表明，采用导热系数小的石英玻璃可以明显改善系统的温度场分布，增强了系统的稳定性；多孔介质可以明显增大热电模块的冷热端温差，提高了系统的开路电压。但是试验中热电模块高温端的温度限制使得这一系统不够稳定，容易烧毁。针对上述问题，开发了新型的多孔介质液体燃料自输运微能源系统，利用热光伏模块将微燃烧的热能转化为电能。设计了单管多孔介质液体燃料微燃烧器和回热型双管多孔介质液体燃料微燃烧器，并采用数值和实验方法考察了两种燃烧器的燃烧功率、过量空气系数对乙醇燃料微燃烧的燃烧效率、出口气体温度、燃烧器外壁面温度的影响。结果表明，两种微燃烧器均能利用多孔介质的表面张力实现液体燃料的自动输运，同时在多孔介质中实现了空气和乙醇蒸汽的完全混合，最终实现了液体燃料的微小尺度稳定燃烧。在回热型双管多孔介质液体燃料微燃烧器中，高温烟气和内管中的燃烧反应物通过回热通道进行相互换热，不仅提高了燃烧反应速度和燃烧强度，而且使整个燃烧器的温度更加均匀。在相同燃烧工况下，回热型双管多孔介质液体燃料微燃烧器的外壁面温度比单管微燃烧器的外壁面温度大约高200K，而且回热型微燃烧器的外壁面温度比单管微燃烧器的外壁面温度更加均匀。更高、更加均匀的外壁面温度有利于提高外部热光伏系统的热电转换效率。另外采用高速摄影技术研究了微小空间内碳氢燃料的预混火焰传播过程，通过考察火焰传播半径随当量比和时间的变化，发现微小空间内预混火焰封面在一定的当量比和时间域内会出现褶皱和不稳定燃烧现象。