基于壁面物化结构分析的火焰与壁面相互作用机制研究

在内燃机、微燃烧器、以及工业燃烧室等设备中，壁面与火焰通过流动、传热、传质以及化学反应的相互作用耦合，是关系到设备安全稳定运行和污染物排放的重要因素之一。本项目拟以甲烷层流预混燃烧为研究对象，采用实验测试，模型构建和理论分析相结合的方法，研究火焰与壁面相互作用机制。利用壁面物化结构分析和燃烧实验测试，从实验角度建立壁面物化结构与火焰宏观特性之间的关联性；借鉴目前比较成熟的催化表面反应机理，利用模型构建和敏感性分析，构建考虑了壁面条件影响机制的表面反应动力学机理模型；耦合气相流动、传热、燃烧等过程，建立包含气相详细反应及壁面反应的甲烷层流燃烧计算程序进行数值模拟研究，探索高温火焰存在下壁面的物化结构对火焰稳定性施加影响的可能途径，揭示火焰与壁面相互作用的规律；提出燃烧设备壁面选择和优化的依据，为极端条件和极端尺度下的燃烧设备设计提供实验依据和理论指导。

为研究壁面与火焰的相互耦合作用，本项目首先搭建了能满足激光测试的调节精度高、温控精确的微火焰实验台，以甲烷层流预混燃烧为研究对象，利用平面激光诱导荧光技术（OH-PLIF）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术研究了不同壁面物化条件（表面结构、粗糙度、自由基覆盖度等）对微火焰熄火特性的影响，发现了壁面附近自由基特性，表面物化结构对与火焰稳定性的相关性，即无量纲化学作用越强，壁面对火焰稳定性的影响越大，反之亦然。其次，借鉴现有比较成熟的Pt表面甲烷催化反应动力学机理，建立植入壁面条件影响机制的表面反应动力学简化机理。耦合气相流动、传热、燃烧等过程，通过甲烷火焰与壁面相互作用机制的二维数值模拟研究，发现壁面反应产生的化学效应和热效应同时影响火焰的稳定性。项目研究取得的研究成果可以为高温条件和微尺度下的微燃烧器壁面设计提供参考依据。本项目共发表相关论文6篇，其中SCI收录1篇，EI收录2篇。项目培养硕士研究生1名，协助培养博士研究生1名。