阵列光镊操控微颗粒燃料微燃烧和气化的基础研究

Gas fuel is widely used in classical micro-combustion system, but liquid fuel (oil & alcohols), solid fuel (coal & metal), biomass fuel (straw & stalk) and fuel combination et al still have not been used till now. Combustion and gasification mechanism of single fuel particle and fuel particle group still hasn't been disclosed by a complete insight. This project proposes a novel controlling method and technique for micro-combustion and gasification. First, single fuel particle is levitated and positioned using single optical tweezers, and is ignited by laser with high power. Micro-combustion and gasification mechanism of single fuel particle can be disclosed as further by testing and analyzing the combustion and gasifying process parameters. Second, two fuel particles can be trapped and tested by array optical tweezers, interacting mechanism can be obtained. Moreover, particles group fuel can be trapped and positioned in space-time by array optical tweezers, and combustion and gasification of them are executed and tested by established mode for effective control purpose. Research of this project can reflect the truth, restore the nature and disclose the mechanism of micro-combustion and gasification by non-intrusive optical testing technique. Thus, research technique of this project can solve the difficult of mechanism research, and it can be considered as a standard technique for combustion and gasification. This technique not only can be utilized in energy field, but also can be suitable for environmental chemistry, life sciences, medical biotechnology and airspace etc..

传统微燃烧所用燃料普遍为气体燃料，不能实现液体（油、醇类）、固体（煤、金属）、生物质颗粒（稻草、秸秆）及混合燃料等的燃烧，而且单颗粒和颗粒群燃料的燃烧及气化机理至今仍不够明晰。因此，本项目提出一种新的微燃烧和气化操控方法和技术：利用单光镊对单微颗粒燃料进行悬浮定位，通过高能激光点燃，对微燃烧和气化过程进行光学式测试，进一步揭示单颗粒燃料微燃烧和气化机理；利用阵列光镊对两颗颗粒燃料进行测试，可获得颗粒间相互作用机理，对颗粒群燃料进行时、空定位，按照既定方式组织燃烧和气化并测试，达到有效操控的目的。本项目采用全光学式颗粒悬浮定位、点燃以及测试方法，对颗粒微燃烧和气化进行无干扰式测试，最能反映微燃烧和气化真实性，还原其本质，有效揭示其机理，可作为标准性燃烧和气化测试方法，克服现有微燃烧和气化机理研究的难题。该技术不仅能应用于能源领域，而且可用于环境化学、生命科学、生物医药和航空航天等诸多领域。

微燃烧所用燃料普遍为气体燃料，不能实现液体（油、醇类）或固体（煤、金属）、生物质颗粒（稻草、秸秆）及混合燃料等的燃烧，而且单颗粒和颗粒群燃料的燃烧及气化机理至今仍不够明晰。针对这些问题，项目提出利用光镊技术对微粒燃料进行悬浮定位，通过高能激光点火，对微燃烧和气化过程进行光学式测试，进一步揭示颗粒燃料微燃烧和气化机理。.项目主要开展了如下研究：(1) 单颗不透明微粒燃料和颗粒群燃料的操控，包括颗粒受力分析、激光参数、颗粒物性参数、环境介质参数对受力的影响，尤其是颗粒析出挥发份后，参数变化对平衡性的影响；全息光路设计与分析、数字记录和再现算法、全息变换强度和相位编码等。(2) 颗粒燃料操控及燃烧测试系统平台的搭建，包括激光光镊和点火系统、照明及微成像系统、点火和燃烧参数测试系统的集成和调试；双芯光子晶体光纤多普勒速度计设计及标定，用于颗粒燃料的运动速度测试。(3) 多种固体微颗粒燃料的热解、着火和燃烧特性测试研究，包括金属铜、铝、镁、石墨、石墨烯、碳纳米管、活性炭、碳粉、多种煤、秸秆和木屑生物质等的点火延迟时间、最低点火功率（能量）、燃烧阶段、燃烧火焰及结构、粒径变化规律、燃烧稳定性、淬熄、再燃、微爆炸现象等；单颗储氢材料（氨硼烷系列、硼氢化铝系列、氢化铝、氢化镁等）的燃烧特性表征，用于推进剂领域。(4) 液滴燃料的悬浮、蒸发、着火和微燃烧特性，包括单颗液体燃料的形成、蒸发速度、表面与内部温度梯度，微燃烧自持燃烧，火焰结构，燃烧过程中的温度变化和微爆炸特性。.项目按照研究计划执行，基本实现预定目标，为颗粒燃料的操控及其微燃烧特性研究奠定基础。共发表期刊论文13篇，会议论文9篇，其中SCI收录7篇，EI收录3篇；获授权发明专利6项，实用新型专利5项。与美国华盛顿大学和复旦大学进行合作研究，入选浙江省高校中青年学科带头人1名，主持国际会议分会场2次，培养研究生7名。