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1、微尺度燃燒的研究進展袁瀚中國海洋大學工程學院，青島，266100摘 要:在微尺度條件下，燃燒系統(tǒng)的流動、傳熱和燃燒特性與常規(guī)尺度差異很大。微尺度燃燒特性研究為研制高效、安全的微燃燒器提供了理論基礎。本文分析了微尺度燃燒的特點和實現(xiàn)微尺度燃燒的方法,總結了微尺度燃燒的實驗和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀,同時對未來微尺度燃燒的研究方向做出預測。關鍵詞:微尺度燃燒;實驗研究;數(shù)值模擬1.微尺度燃燒的特性與優(yōu)點這其中除了燃料獲得的廉價和方便外，通過燃料燃燒能夠獲得很高的能量密度是這樣的能源利用方式被廣泛應用最重要的原因。在某些場合過去由于加工技術的限制，燃料燃燒也不能充分發(fā)揮其作用，比如在手機、
2、筆記本電腦等可攜帶電子設備上目前人們主要還是依靠電池來給它們提供能源?；瘜W電池由于其體積小、攜帶方便，在這些場合有很大的利用空間，不過電池的缺點也是顯而易見的，那就是能量密度低、可連續(xù)工作時間短，因此需要經(jīng)常更換電池或者充電，這給人們的生活和工作帶來一定的限制。隨著基于MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)的微能源動力系統(tǒng)技術的發(fā)展，科學家們開始開展了相關的理論和實驗工作。微尺度燃燒研究隨之產(chǎn)生，它是相對于傳統(tǒng)燃燒發(fā)生在較大的尺度范圍內(nèi)而言的。目前研究的微尺度燃燒一般發(fā)生在很小的尺度范圍內(nèi)，它們通常在低于1cm3的容積內(nèi)發(fā)生。微尺度燃燒器具有價
3、格低廉、保存期限更長、能夠提供更穩(wěn)定的電壓、再次添加燃料方便和不會污染環(huán)境等優(yōu)點。微尺度燃燒的研究希望能夠解決為可攜帶電子設備提供可長時間供應穩(wěn)定電力的電源問題，但除了這一方面的應用外，微尺度燃燒還有一個重要應用領域，那就是在國防方面的應用。微型飛行器、微型衛(wèi)星、現(xiàn)代戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)士兵，這些都要求高性能的動力、電力支持。解決這些問題迫切需要體積小、質(zhì)量輕、能量和功率密度高的能源供給系統(tǒng)，但目前還沒有合適的能源供給方式。而基于微尺度燃燒的微動力能源系統(tǒng)由于很高的功率密度，目前被認為是一種解決這些問題的很有前途的方法。相比傳統(tǒng)燃燒器，微尺度燃燒器有如下特點：為了實現(xiàn)穩(wěn)定的微尺度燃燒，
4、可依據(jù)燃燒熱力學、動力學和層流預混燃燒理論設計科學的燃燒方法．下表為實現(xiàn)穩(wěn)定微尺度燃燒方法。2．微尺度燃燒的研究進展微尺度燃燒的研究主要包含四個基本問題：燃燒機理；預熱技術；微尺度內(nèi)流動、傳熱與混合。2.1實驗研究進展2.1.1國外實驗研究進展(1)以烴類燃料為研究對象。在微通道內(nèi)的烴類燃料的燃燒實驗研究發(fā)現(xiàn)：(a)燃料在多根微尺度管組成的管束中維持高溫燃燒的效果比單管好。[1](b)三維的瑞士卷式燃燒器可使來流氣體的熱焓被大大增加，提高了燃燒反應速度，降低了燃料的熄火間距，使得燃料在燃燒室內(nèi)能夠維持穩(wěn)定的預混燃燒；同時出口尾氣溫度也被不斷冷卻，燃燒器的熱量損失也被降低；有催
5、化劑的催化作用，燃燒室的溫度可降低。[2](2)以其他燃料為研究對象。其他燃料在微通道內(nèi)的燃燒實驗研究結果表明：氫氣空氣混合氣體采用預混和非預混進氣進行燃燒時，預混進氣時燃燒室的出口煙氣溫度較高，燃燒效率也較高；碳氫燃料在該微燃燒室內(nèi)根本無法燃燒，放置催化劑膜能實現(xiàn)燃燒；特殊結構的微燃燒室能提高微燃燒效率。[3]2.1.2國內(nèi)微尺度燃燒的實驗研究(1)以甲烷燃料為研究對象。通過甲烷燃料的燃燒實驗研究表明：(a)甲烷和氧氣預混火焰可在微通道中傳播，隨著流量的增加，火焰區(qū)變大，火焰變得越來越不穩(wěn)定；火焰?zhèn)鞑ニ俣群皖A混氣體流量基本上呈線性遞增關系。[4](b)在較高噴管出口速度時，
6、微火焰的形狀和結構與常規(guī)尺度火焰相似；在較低速度下，噴口管徑越小，浮力影響越明顯；火焰的高度隨噴管出口速度的增大而增大，隨噴口直徑的減小而減小；對于微小尺度下在無限大空間的空氣中甲烷擴散火焰，吹熄速度與噴口直徑無關，淬熄速度隨噴口直徑的減小而增加；存在臨界熄滅直徑和臨界熄滅速度；隨噴口直徑的減小，微火焰的穩(wěn)燃區(qū)間變小，極限功率范圍變窄，最低功率變大，穩(wěn)定燃燒條件更苛刻。[5](2)以其他燃料為研究對象。以其他燃料在微通道內(nèi)燃燒的實驗研究發(fā)現(xiàn)：(a)混合氣可以在火焰管燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒，火焰管中的燃燒情況受混合氣流量和氫氣與氧氣的混合比影響很大；火焰管燃燒室結構、噴口／火焰管燃燒
7、室截面比是影響燃燒的重要因素。[6](b)燃燒室壁溫和銅片蓋板溫度隨流量的增大而升高，基本上呈線性關系；在相同工況下銅片的溫度比預混室壁溫低的并不是太多；在當量比較接近時，不同當量比下壁面溫度的差值并不明顯；電壓隨流量的增大而升高。(c)不同管徑的燃燒室中，當流量太時，火焰的燃燒不能持續(xù)；當流速超過某值時，在任何條件下，燃燒不會在直管內(nèi)發(fā)生，但它可以在管外發(fā)生；只有當進口流速在某個區(qū)間內(nèi)，穩(wěn)定的燃燒才能在直管內(nèi)發(fā)生；火焰核心的位置相對于不同的進口流速是變化的。(d)當噴嘴孔徑中一定時，在不同流量不同混合
