微小型过量焓油膜燃烧器的基础问题及关键技术研究

随着微电子技术和微机电系统的迅速发展，基于液体燃料燃烧的微发电/微动力系统越来越受到全世界的广泛关注，非常有希望成为一种新型的可重复使用的替代电源。围绕液体碳氢燃料在微燃烧器中燃烧时遇到的汽化困难和火焰稳定性差的关键问题，研究微尺度下液体燃料在多孔材料表面的成膜机理及蒸发特性、微细通道中油膜壁面与火焰的相互作用关系、微尺度下多孔材料油膜蒸发器与过量焓燃烧器的参数匹配和火焰稳定机理等。在深入研究液体燃料在多孔材料表面油膜燃烧特性的基础上，提出外部加热和高速气流条件下多孔材料表面的成膜机理，探索微细尺度下油膜燃烧特性和油膜壁面与高温火焰的相互作用关系；在深入分析微细尺度下油膜燃烧熄火机理的基础上，建立微细尺度油膜蒸发与过量焓燃烧的耦合模型，探索两者的匹配关系，提出微细尺度下液体燃料燃烧的稳燃机理和合理的微型燃烧器方案。该研究将为基于液体燃料燃烧的微动力系统的研究和开发提供理论依据和科学指导。

随着微电子技术和微机电系统的迅速发展，基于液体燃料燃烧的微发电/微动力系统越来越受到全世界的广泛关注，非常有希望成为一种新型的可重复使用的替代电源。围绕液体碳氢燃料在微燃烧器中燃烧时遇到的汽化困难和火焰稳定性差的关键问题，本项目设计、加工了多种结构的液体燃料微型燃烧器，针对这些燃烧器开展了一系列实验和数值仿真研究。.(1).为了稳定火焰，本项目首先开展了微燃烧器中液体正庚烷与空气/氧气混合气的燃烧实验，研究了庚烷流量、当量比、外管和内管直径等对燃烧器壁面温度及内部流场的影响。结果表明，有套管燃烧器可燃范围显著增加，贫燃极限降低到当量比等于0.6。内外管直径变化影响火焰位置以及壁面温度分布。.(2).为了增强微燃烧器中的火焰稳定性，在燃烧器内管中放置了多孔介质。本项目对不同当量比、不同套管结构和有无多孔介质条件下，液体正庚烷/空气在微燃烧器内的扩散燃烧进行了实验研究。燃烧器内管为内径4mm的石英管，外套管分别采用了内径10mm的单层套管和真空套管，多孔介质材料采用聚丙烯腈基碳毡。研究结果表明，对于相同的正庚烷流量，当量比大于5时，扩散火焰紧贴并包围着庚烷液滴。随着当量比的减小，火焰逐渐向内管出口移动，最终稳定在内管出口。回热套管能显著减小微燃烧器的热损失，扩展了可燃极限，真空套管的散热损失更小。多孔介质能促进液体正庚烷的蒸发和混合，而且在富燃工况下多孔介质可以增加正庚烷/空气燃烧的单步化学反应速率。.(3).此外，本项目还模拟了微燃烧器流动和燃烧过程，研究了进气方式、外部散热、当量比和内管直径等参数对微燃烧器热损失、可燃极限等的影响。结果表明，当燃料和空气从内管注入时，有利于火焰稳定和燃料的预热，否则容易造成气流波动和火焰振荡。当燃料和空气从外管注入时，从内管外壁面注入燃料可以使火焰稳定在内管壁面附近，防止火焰被吹熄。当燃烧室没有外套管时，火焰位置随着空气流速和外部散热系数改变；但是当增加外套管时，燃烧器能够在更大的雷诺数和大散热系数下稳定工作。.(4).最后，本项目建立了圆柱式微尺度液膜微燃烧室内的一维传热模型，通过对燃烧室内热量损失率和热量循环率的分析，研究了庚烷、甲醇和乙醇在不同燃烧室结构和当量比条件下燃烧室内的能量损失和能量传递问题，以及燃料种类、当量比和燃烧室结构对微尺度液膜燃烧特性的影响。