微通道内掺混燃料的火焰稳定性和强化燃烧机制研究

As a core component of the micro power generation devices, the combustion performance of each micro combustor is very critical when determining the power output of these devices. To solve the prominent problems of ignition difficulty and narrow flammability range in a micro combustor when using the fuels like methane and propane, this project choose the blending combustion as the main concern. It is expected to obtain the combustion characteristics by combining the methods of theoretical analysis, experimental test and numerical simulation. Firstly, by the systematical study of combustion process in the planar micro channel using different common gas fuels, overall evaluation of fuel flexibility will be gained. The conditions of flame maintain and the transition behavior of unstable flame will be analyzed, so as to give a necessary complement to the flame instability mechanism. On this basis, the effects of hydrogen and DME addition on the ignition and flame stabilization will be further approached. The influence on flame structure and temperature field at different blending approaches will be discussed, and the generation rules of important species and free-radicals will be revealed. Finally, the enhancement mechanism of micro blending combustion process could be illustrated, and the optimal fuel design will be presented. The implementation of the project has a great significance on the complement of micro combustion theory, and provides a broad fuel selection for the perfect working of micro combustor.

作为微型动力装置的核心部件，微型燃烧器的燃烧效果对于系统的功率输出至关重要。为解决甲烷、丙烷等气体燃料在微型燃烧器中着火困难、可燃范围过窄的突出问题，本项目将以微尺度条件下的掺混燃烧方式作为研究对象，采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法，对其燃烧特征进行深入剖析。首先，通过对多种常见气体在平板式微通道内燃烧过程的系统研究，获得各种燃料适应性的全面评价，分析火焰稳定维持的内外在条件和不稳定火焰的转捩特性，实现对火焰失稳机制的必要补充和完善。在此基础上，进一步探讨氢气和二甲醚的添加对烷类燃料着火和稳燃特性的改善效果，分析不同掺混方案对火焰结构和温度场的影响，掌握重要组分自由基的生成规律，阐明微尺度燃烧过程中掺混燃烧方式的强化作用机制，并提出优化的燃料供给设计方案。该项目的实施对于丰富和完善微尺度燃烧基础理论具有重要意义，并为微型燃烧器的高效工作提供更广阔的燃料选择空间。

微型燃烧器是微型动力装置的核心部件，它的工作效果对于系统的功率输出至关重要。然而，甲烷、丙烷等常见气体燃料在微尺度条件下尚存在着火困难、火焰稳定性差、稳燃范围过窄等一系列的突出问题。为此，本项目以微尺度条件下的掺混燃烧方式作为研究对象，结合实验测试和数值模拟的方法，对其火焰特性和稳燃强化机制展开了系统的研究。按照计划任务书，首先针对甲烷和丙烷在平板式微通道内的燃烧过程，观测到了包括不对称反复熄燃、弱、平直、胞格、U型、倾斜、振荡火焰在内的7种形态，其中有些火焰属首次在平板型燃烧器中被发现。绘制了详细的火焰流速范围分布图，获取了火焰形态转变过程的基本规律，阐明了几种不稳定火焰的内外在成因，并剖析了燃烧器材质和重要尺寸对火焰稳定性的影响程度。随后，设计了添加氢气或二甲醚这两种燃料掺混设计方案，测试了其在拓展可燃极限、缩小尺度极限、提高能量利用率上的实施效果，并全面地分析了进气流速和掺混比改变时火焰形态分布的不同特征。最后，开发了一套能够很好地适用于微尺度条件下甲烷/二甲醚反应的简化机理，在此基础上构建了各类纯燃料和掺混燃料在微通道内燃烧过程的三维计算模型，并结合试验测试结果，详细考察了掺混燃烧方式在提高反应速率、重要自由基激励生成、改善火焰迟滞现象和火焰形态动力学维稳等方面的促进机理。该项目的实施对于丰富和完善微尺度燃烧基础理论具有重要意义，并为微型燃烧器的高效工作提供更广阔的燃料选择空间。项目执行期间，共发表SCI学术论文16篇，其中第1作者或通讯作者（学生第1）SCI检索论文9篇，出版微尺度燃烧专著1部（科学出版社、第2作者）；作为第1发明人受理国家发明专利2件，获得教育部自然科学二等奖1项（排名第4）。参加国内外学术会议3次，培养硕士研究生4名，协助培养博士研究生2名。