微小型燃烧器中正癸烷催化反应与气相点火燃烧的互惠耦合

With the development of MEMS, aviation kerosene with high energy density and easy storage, as a fuel of micro-energy power system, can make micro-energy power system present a high energy density wonderfully. Aiming at the problems of aviation kerosene utilization in micro-energy power system, such as a narrow stable combustion range, difficulties in ignition and burnout, this project proposes a new combustion organization method with organic coupling of catalytic reaction and gas combustion reaction, based on n-decane, a substitute of aviation kerosene. The two scientific problems are the characteristics of n-decane catalytic pretreating gases and its improvement mechanism on gas-phase ignition-combustion, and the mutual coupling mechanism between the catalytic reactions and the gas-phase ignition-combustion of n-decane in the meso/micro-type burners. Surrounding these two scientific problems, the followings will be investigated：the chemical kinetic characteristics and mechanism of n-decane catalytic reactions, the action mechanism of the components in catalytic pretreating gases on the gas-phase ignition-combustion, and the characteristics and coupling mechanism of catalytic reactions and gas-phase ignition-combustion in micro burners. From the aspects of fast ignition, wide range of stable combustion and high efficiency combustion, the researches will be carried out to discover the reciprocal coupling mechanism between catalytic reaction and gas phase ignition-combustion of n-decane in a meso/micro combustor. The basic principles will be obtained to guide the combustion arrangement of n-decane catalytic pretreating and gas-phase ignition-combustion in meso/micro combustors.

随着MEMS的发展，高能易储存的航空煤油作为微能源动力系统的燃料，能够更好地发挥微能源动力系统高能量密度的优点，受到了较为广泛的关注和研究。本项目针对微小型燃烧装置中航空煤油稳定燃烧范围窄、着火燃尽困难等问题，以正癸烷这一航空煤油替代物为燃料，创新性地提出了一种催化反应和气相着火燃烧反应有机耦合的新燃烧组织方法。本项目拟围绕“正癸烷催化预处理气特性及其对气相点火燃烧的促进作用机制”和“微小型型燃烧器中正癸烷催化反应与气相点火燃烧的互惠耦合机理”这两个科学问题，开展正癸烷催化反应化学动力学特性及机理、催化预处理复杂可燃气中组分元对气相点火燃烧特性的作用机理、微小型燃烧器中正癸烷催化反应和气相点火燃烧的特性及耦合机理等方面研究，从快速点火、宽稳燃范围和高效燃烧多目标出发，揭示正癸烷微小型燃烧器中催化反应与气相点火燃烧的互惠耦合机理，获得微小型燃烧器正癸烷催化和气相点火燃烧的组织基本指导原理。

现代便携式电子设备的发展对微小型源动力系统提出了更高要求，航空煤油作为一种易储存的高能液体燃料，在微小型能源动力系统中燃烧利用的研究广泛开展。微小型燃烧器散热比例高、燃烧室尺寸小也使得催化成为改善航空煤油点火和燃烧特性的一种手段。本项目针对一种催化反应和气相着火燃烧反应有机耦合的新燃烧组织方法开展研究，旨在通过设置催化预处理段催化裂解和部分氧化正癸烷获得预处理气，并耦合气相燃烧实现新燃烧组织模式。（1）项目使用自制铂基催化剂研究正癸烷催化裂解和催化部分氧化的反应动力学特性，得到了催化反应动力学参数与动力学模型，总结了催化裂解/部分氧化产物的浓度范围边界、产物气温度边界与产物气组分关联特性。（2）实验探究了催化裂解产物H2/CH4/C2H4/C2H6以及当量比对正癸烷层流火焰速度的影响规律。同时利用Chemkin数值计算软件对裂解产物气的点火延迟时间与层流火焰速度进行了敏感性分析，获得了详细的作用机制，并绘制得到了裂解组分元对气相点火和燃烧特性的作用关系网络。（3）进行了微小型催化燃烧器中正癸烷催化燃烧和气相点火燃烧特性实验，实现了均相燃烧、异相燃烧与两者的耦合燃烧。揭示了三种燃烧模式的稳燃范围、产物特性与转化率、火焰结构与温度分布特性，总结得到了催化预处理段和气相段在整体燃烧过程中的地位作用与相互关联影响。（4）采用二维Fluent数值模拟对正癸烷催化反应与气相点火燃烧的互惠耦合过程进行了热量与物质分析。揭示了催化反应对气相点火燃烧的促进作用与气相燃烧对催化反应的热反馈作用。通过将耦合燃烧划分成四个阶段，分析温度梯度与流场建立了耦合燃烧热量传递模型，得到了稳定耦合燃烧的热量条件。同时对物质分布与反应速率的分析，以及使用无量纲准则数衡量耦合燃烧均相点火特征面传热传质特性进一步完善了催化反应与气相点火燃烧之间的互惠耦合机制。