基于钝体的平板型微通道稳燃方法及相关影响因素研究

由于碳氢化合物燃料的能量密度比目前世界上最好的锂电池高几十到上百倍，因此，利用微尺度燃烧产生的能量来为不断涌现的各种MEMS设备提供动力，成为将来取代电池驱动的富有潜力的方法。微尺度燃烧面临的首要问题是稳燃。本项目在对目前已有的微通道稳燃技术的优缺点进行全面分析的基础上，借鉴常规尺度燃烧中广泛采用的钝体稳燃技术，将其应用于平板型微通道燃烧器中，达到扩大稳燃范围、提高燃烧效率和壁面温度均匀性等目标。其中，重点研究几个主要结构参数，如钝体的相对位置、钝体的相对大小、钝体形状等，对稳燃效果和燃烧效率以及壁面温度均匀性的影响，为基于钝体的平板型微通道燃烧器的优化设计提供理论指导，并阐明极限情况下的灭火机理。本项目的完成对微通道中火焰稳定的理论和技术的发展均有重要的意义。

微尺度燃烧面临的首要问题是火焰稳定性。本项目将钝体应用于微通道稳燃，通过实验和数值模拟研究了钝体的大小、形状以及固体材料等因素对氢气/空气预混火焰的吹熄极限、燃烧效率以及壁温均匀性的影响，从流动、传热与化学反应之间的相互作用对钝体燃烧器的稳燃机理进行了全面分析。主要结论如下：.（1）实验结果表明，微型钝体燃烧器的火焰稳定性得到了显著提高，吹熄极限比无钝体时增大了3-5倍。随着当量比增大，吹熄极限明显增大，火焰锋面向上游移动，壁面平均温度升高，排烟温度也随之升高。随着进气速度增大，火焰被吹向下游并被拉长，壁温分布均匀性变差，排烟温度和燃烧效率均呈现出先增大后减小的规律。.（2）采用‘可实现的k-e湍流模型’对吹熄极限的预测精度最高。.（3）阻塞比ζ=0.3、0.4和0.5时的吹熄极限分别为20、32和36 m/s，即吹熄极限随着阻塞比的增大而增大。当ζ=0.3时，钝体后的回流区太小导致火焰在较小的进气速度下即被整体吹出燃烧室；而对于ζ=0.4和0.5的情况，火焰则由于在高速下受到剪切层的强烈拉伸作用而导致熄灭，实验观察也证实了这一现象。由于反应区集中于燃烧室中央，高温气体对壁面的作用减弱，使得不同阻塞比的钝体燃烧器之间的散热损失差别不大。.（4）当量比和阻塞比均为0.5时，圆形、三角形和半圆形钝体燃烧器的吹熄极限分别为11、36和43 m/s。模拟结果表明：圆形钝体燃烧器由于回流区太小，火焰在较低速度时即被吹熄；三角形和半圆形钝体燃烧器的回流区较大，火焰是由于受到剪切层的强烈拉伸作用而导致熄灭；而且三角形钝体后的剪切力比半圆形更大，因此其吹熄极限比半圆形要小。此外，由于反应区集中在燃烧器中部，三种燃烧器的散热损失差异不大。.（5）通过数值模拟研究了石英、不锈钢和SiC微型钝体燃烧器内氢气/空气预混火焰的吹熄极限。由结果可知，三个燃烧器对应的吹熄极限分别为36、25和21m/s。分析表明，导热系数越大，更多的热量通过壁面从下游高温区传到上游低温区，对未燃预混气产生更好的预热效果，气体体积膨胀更明显，钝体上下两侧的流速更大，导致钝体后面的低速区面积更小，稳燃效果更差。这使得石英燃烧器的吹熄极限最大。另外，对于不锈钢和SiC燃烧器，由于SiC壁面更大的发射率使得其散热损失较大，从而使得其吹熄极限更小。