微型动力系统中燃烧的基础研究

The proposal is presented for overcoming the obstacles in enhancing the stability of combustion and increasing the power density of microscale dynamic systems. The project will carry out the research on the correlation mechanism between fuel properties and microcombustion characteristics and the mechanism of microscale effects on combustion interacted with wall or catalysis. The main research contents include: the correlation mechanism between physico-chemical properties of fuel and microcombustion characteristics, the interactional mechanism between surface physico-chemical characteristics and micro flame, the microscale effect of catalytic microcombustion, and the numerical simulation method of microcombustion coupled with multiple factors. The research will be experimentally implemented for the main tasks, which will be supported simultaneously by theoretical analysis and numerical simulation. The plan will be executed by following procedures: obtaining and analyzing the characteristic information of combustion under microscale environment; theoretical analysis and modeling for building up the strengthening scheme of micro combustion; experimental test and numerical simulation of the strengthening approaches. According to the procedures proposed, the research contents will be conducted in non-catalytic and catalytic micro combustors with shapes of tube or channel between two parallel plates with the aid of non-contact optical diagnostics, physico-chemical analysis and so on. The model of micro combustion coupled with both heterogeneous and homogeneous reaction kinetics will be built and applied for numerical simulation. Finally, the key issues mentioned above will be thoroughly analyzed and discussed to obtain the basic rule of micro combustion interacting with the joint effects of fuel characteristics, surface effects, catalytic environment, structure of micro combustor, and operation conditions. The results will enrich the theory of microscale combustion, and provide theoretical and technical support to the development and application of high energy-density microscale dynamic systems.

拟申请内容针对制约微型动力系统稳定燃烧和能量密度提升的技术瓶颈提出，针对燃料结构和分子尺度与微燃烧特性的关联机制以及壁面/催化作用下的燃烧微尺度效应及机理展开研究。主要研究内容包括:燃料物理化学特性与微燃烧可燃极限的关联机制、壁面散热和碰撞对火焰稳定的干涉机理、催化燃烧的微尺度效应、复杂条件下微尺度燃烧的数值模拟方法。整个研究计划以实验研究为主导，理论分析和数值模拟为支撑，按照微尺度条件下燃烧特性信息获取和分析—微燃烧强化策略的构建—强化途径的原理性实证的方案进行。依据拟定的技术路线，完成各项研究内容，确定燃料特性与微燃烧尺度效应之间的关联机制，阐明壁面附近火焰中的自由基行为和特点，揭示催化反应与气相反应在界面附近的耦合作用规律及控制机制，实现耦合了壁面效应和催化反应等多参数的微燃烧器数值模拟，建立微尺度下的强化稳定燃烧策略，为提高微型动力系统的能量密度和运行可靠性提供理论基础和技术支撑。

微型动力系统是一种潜在的能够大幅提升微小型机电设备运行性能的新型供能方式。然而，随着微燃烧室特征尺寸的减小和比表面积的增大，燃烧过程中多物理场以及异相和均相化学反应之间的耦合作用，出现了许多不同于常规尺度下燃烧的新现象和新要素，急需揭示规律和机理，完善微尺度燃烧基础理论。本项目针对不同燃料的微尺度燃烧特性、燃料分子结构与微燃烧特性的关联机制以及壁面/催化作用下的燃烧微尺度效应及机理展开了研究。.研究发现,随着输入功率的增加，烷烃燃料微射流火焰的形态由热质扩散和化学动力学决定的伞状、半球状火焰逐渐转变为受扩散和对流共同作用决定的定置和推举火焰。微尺度射流火焰和喷管管壁之间存在强烈的热耦合，半球状火焰时火焰和管壁之间的热耦合效应会强化微火焰的稳定性,而伞状火焰时的热耦合加剧了火焰的不稳定性。.在密闭的微小空间内，壁面粘滞力和壁面传热决定了火焰的传播特性。存在一个最佳的特征尺寸使火焰传播速度最快，甚至使燃烧模态从缓燃转变为爆燃，实现了燃料化学能的快速、高效释放。壁面的化学效应通过改变壁面附近火焰中关键自由基的浓度和分布影响微火焰的稳定性。表面上的吸附氧浓度是决定壁面化学作用强弱的关键因素，可以通过表面涂层调控表面吸附特性，有效地改善微火焰的稳定性。.研究还揭示了多种烷烃燃料的催化着火特性、自稳燃烧极限和催化条件下的气相火焰特征，以及乙醇和二甲醚同分异构燃料催化燃烧特性的差异及影响机制，得到了多种含氧燃料的低温催化氧化动力学特性及其基本参数。在催化微燃烧全过程中，表面催化反应与空间气相反应在空间分布上呈现出不同的阶段性特征，表现出热量和物质的强耦合特征。.本项目的研究揭示了燃料特性与微燃烧之间的关联机制以及异相反应与气相反应在界面附近的耦合作用规律及控制机制，丰富了微尺度条件下的燃烧基础理论，可为提高微型动力系统的能量密度和运行可靠性提供理论基础和技术支撑,并推动微尺度燃烧理论的进一步发展。