微小尺度空间预混过滤燃烧过程中驻定火焰的基本特征和稳定性研究

Micro-combustion based micro power devices offer a higher energy density, and therefore represent a potential to be a portable power source to replace batteries. Filling the micro-combustor with porous medium is able to enhance heat recirculation from the flame zone upstream to the unburned mixture, which is beneficial to increasing the combustion efficiency and improving the flame stability. The applicant has studied hydrogen/air premixed filtration combustion in 1-2 mm planar micro-combustors, and found that the existence of stationary flames expands to a regime with its size decreasing with the increase of the characteristic dimension of the micro-combustor. Based on that experimental finding, this project proposes to study the fundamental characteristics (flame temperature, flame speed and flame position) and stability of stationary flames in premixed filtration combustion in the millimeter-scaled micro-combustors. The regimes of stationary flames under different conditions will be experimentally identified. By carrying out pore-scale numerical simulations, detailed flow, heat and mass transport in the porous medium will be investigated in order to reveal the mechanisms and influencing factors for the expanded regime of stationary flames. Both numerical and theoretical methods will be employed to study the two flame instability mechanisms in the millimeter-scaled premixed filtration combustion to illuminate the contribution of flame stability to the existence of stationary flames. This project is intended to explore new rules and mechanisms of premixed filtration combustion in the millimeter-scaled micro-combustors, and its results are expected to provide some guidance to the design and optimization of micro-combustors.

基于微尺度燃烧的微动力系统具有较高的能量密度，有望替代电池成为便携式动力源。在微燃烧器中填充多孔介质可以强化热量从火焰区回流，提高燃烧效率并增强火焰稳定性。申请人研究了氢气/空气在1-2毫米平板微燃烧器中的预混过滤燃烧，发现驻定火焰的存在范围拓宽为一个区域，该区域随燃烧器特征尺寸的增加而减小。基于上述结果，本项目拟研究毫米量级微小尺度空间预混过滤燃烧中驻定火焰的基本特征（火焰温度、火焰速度、火焰位置等）和火焰稳定性。采用实验方法测定不同条件下驻定火焰的存在范围；采用孔隙尺度数值模拟的方法，研究多孔介质内部的流动、传热、传质等过程，揭示驻定火焰存在范围拓宽的机理及其影响因素；采用数值模拟结合理论分析的方法，研究微小尺度预混过滤燃烧的两种火焰不稳定性，揭示火焰稳定性对驻定火焰稳燃机理的贡献。本项目旨在探索微小尺度条件下预混过滤燃烧的规律和机理，研究结果对微燃烧器的设计和优化具有一定的指导意义。

常规尺度的多孔介质燃烧通常很难获得驻定火焰。近年来，实验研究和数值模拟的结果表明：对于特征尺寸在毫米量级的微尺度燃烧器，预混气的驻定火焰可以存在于一个流量或当量比范围内，也就是稳燃范围随着燃烧器特征尺寸的减小而拓宽。本项目针对这一现象，以部分或完全填充多孔介质的平行平板通道中的氢气/空气预混火焰为研究对象，建立了基于连续介质假设的二维数值计算模型，量化了壁面回热、多孔介质回热和火焰区散热的相对大小，得到了回热与散热的比值，并研究了这一比值与火焰温度和驻定火焰稳燃范围之间的关系。在此基础上，建立了碳化硅泡沫和堆积氧化铝小球两种多孔介质的三维孔隙尺度模型，计算得到了孔隙内部详细的流场、温度场和浓度场，由此获得了火焰的三维空间分布特征，阐明了不同结构多孔介质的稳燃机理，揭示了回热、火焰区热损失等传热因素对火焰温度和稳燃范围的影响。针对多孔介质微尺度燃烧器的火焰稳定性问题，对控制方程无量纲化并进行数值求解，研究了传热对驻定火焰位置及其稳定性的影响，得到了热损失和热回流共同作用调控火焰速度的规律，定性揭示了驻定火焰的稳燃机理。推广到没有填充多孔介质的微小尺度燃烧器，本项目采用数值模拟方法研究了平行平板所构成的微小尺度空间内近极限预混气体在中心点燃后所形成的预混火焰的传播行为，以及火焰向平板的热损失对火焰传播行为的影响，揭示了通过平板的热回流对振荡火焰的振幅和频率的影响。本项目的研究结果对于了解多孔介质微小尺度燃烧器的驻定火焰特征及其稳燃机理具有一定的理论意义。截至2021年12月底，已经发表第一标注的SCI论文篇6篇、核心期刊1篇，录用核心期刊1篇，共计8篇高水平学术论文，其中包括《Combustion and Flame》1篇和《Proceedings of the Combustion Institute》2篇。依托本项目已经毕业硕士研究生2人、博士研究生1人。