部分填充多孔介质的平板微燃烧器的稳燃特性及耦合传热机理研究

Micro-combustors are one of the key components of the power micro-electromechanical systems (MEMS). Both experimental and theoretical rusults indicate that preheating the unburned mixture through heat recirculation is an effective means to extend flammability limits and to enhance the anti-quenching capability of the micro-combustion processes. This study proposes a novel configuration, that is, a planar micro-combustor partially filled with porous media. The upstream unburned mixture is preheated by thermal radiation emitted from the porous media (the high-temeprature zone), thus enhancing heat recirculation. Earlier experimental results by the applicant indicate that the position of the porous media inside the planar micro-combustor is able to control both the preheating length and the flame position. The proposed study is intended to investigate the characterisitcs of flame stabilization and coupled heat transfer occuring in the above-mentioned combustor configuration. By using both experimental and numerical methods, the stability limits and the wall temperature distribution under different conditions (space filling factor and filling position) are to be measured for two mixtures (hydrogen-air and methane-air). In addition, the contribution of thermal radiation to the heat recirulcation and its influencing factors are to be quantified, and the conditions under which stable flames can be retained inside the porous media be identified. The combustor configuration proposed in this study is applicable to various micro energy-conversion devices, and the results from this study is of some theoretical significance to the improvement of the micro-combustors' performance.

微燃烧器是微动力系统的核心部件之一。实验和理论研究表明：利用回热方式预热反应物是拓展微尺度燃烧的可燃极限、增强抗"热灭火"性能的有效途径。本研究提出一种新的微燃烧器结构：在平板微燃烧器中部分填充多孔介质，通过（高温反应区）多孔介质的辐射预热上游的反应物，从而达到增强回热的目的。申请人前期的实验结果表明：部分填充的多孔介质在微燃烧器中的位置可以同时控制预热段的长度和高温反应区（火焰）的位置。本研究拟针对此种型式微燃烧器的稳燃特性和耦合传热机理进行分析，采用实验和数值模拟相结合的方法，测量两种混合物（氢气-空气和甲烷-空气）在不同条件下（多孔介质的填充度、填充位置等）的稳燃范围和燃烧器壁面温度分布特性，定量分析多孔介质高温辐射对回热的贡献度及其影响因素，并得到稳定火焰驻留在多孔介质内的临界条件。本研究提出的微燃烧器型式适可以用于不同的微动力能量转换装置，对提高微燃烧器的性能具有理论指导意义。

以微小尺度燃烧器作为热源的微动力系统具有较高的能量密度，提供了一种潜在的替代传统电池的技术途径。然而，微尺度燃烧器面临着燃烧效率低、稳燃范围窄、火焰稳定性差等问题。本项目提出了部分填充多孔介质的平板微燃烧器的构型，旨在通过多孔介质强化热量从反应区向未燃烧预混气的回流，从而提高燃烧效率、改善火焰稳定性并拓展稳燃范围。本项目采用了实验和数值模拟相结合的方法，针对氢气/空气预混气在H=1-2 mm的平板微燃烧器中的稳燃临界条件和回热机理进行了研究。实验中采用折叠的不锈钢丝网作为多孔介质，测量了不同条件下平板微燃烧器的四个稳燃临界条件，实验结果表明：在微燃烧器出口的回火（Ф2）和吹熄（Ф1）极限条件仍然符合Elbe和Lewis的经典边界层理论；稳定的火焰可以在一定范围内（Ф4<Ф<Ф3）驻定在多孔介质内部，这一结果与大尺度多孔介质燃烧的情况，即一个流速对应唯一的当量比能够形成驻定燃烧波，形成了鲜明对比，成为微小尺度多孔介质燃烧的一个显著特征。数值模拟针对完全填充的平板微燃烧器，考虑了多孔介质骨架与预混气之间的热不平衡，重点研究了不同参数对火焰基本特性（火焰位置和火焰速度）的影响，分析并量化了两种回热方式，即多孔介质固体骨架与预混气之间的对流换热以及通过微燃烧器壁面的热传导形成的热回流，在回热过程中的相对大小及其影响因素。数值模拟的结果表明：火焰位置与预混气流速呈现出强烈的非线性关系，而火焰速度随预混气流速的增加呈现出线性增加的趋势；对比两种回热方式，多孔介质骨架与预混气之间的热回热随流速的增加呈整体下降的趋势，而通过壁面的热回流随流速的增加而上升，对于毫米尺度量级的燃烧器，通过多孔介质固体骨架的热回流是主要因素，而壁面热回流是次要因素。本项目的数值模拟结果揭示了微小尺度多孔介质燃烧的一些火焰基本特性，阐明了其中的回热机理以及两种回热方式的相对贡献度；实验发现了多孔介质平板微燃烧器中驻定火焰波存在于一个范围内，以此为依据界定了与大尺度多孔介质燃烧的区别，实验测量的稳燃临界条件的数据对于设计此种类型的微燃烧器提供了依据。本项目的研究成果已发表SCI二区的学术论文5篇，分别为《Combustion and Flame》（1篇）、《Chemical Engineering Journal》（1篇）、《AIChE Journal》（1篇）、《Fuel》（2篇），已毕业硕士研究生3人。