微尺度燃烧综述报告.doc

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1、微尺度燃烧的研究进展袁瀚中国海洋大学工程学院，青岛，266100摘　要:在微尺度条件下，燃烧系统的流动、传热和燃烧特性与常规尺度差异很大。微尺度燃烧特性研究为研制高效、安全的微燃烧器提供了理论基础。本文分析了微尺度燃烧的特点和实现微尺度燃烧的方法,总结了微尺度燃烧的实验和数值模拟研究现状,同时对未来微尺度燃烧的研究方向做出预测。关键词:微尺度燃烧;实验研究;数值模拟1.微尺度燃烧的特性与优点这其中除了燃料获得的廉价和方便外，通过燃料燃烧能够获得很高的能量密度是这样的能源利用方式被广泛应用最重要的原因。在某些场合过去由于加工技术的限制，燃料燃烧也不能充分发挥其作用，比如在手机、

2、笔记本电脑等可携带电子设备上目前人们主要还是依靠电池来给它们提供能源。化学电池由于其体积小、携带方便，在这些场合有很大的利用空间，不过电池的缺点也是显而易见的，那就是能量密度低、可连续工作时间短，因此需要经常更换电池或者充电，这给人们的生活和工作带来一定的限制。随着基于MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)的微能源动力系统技术的发展，科学家们开始开展了相关的理论和实验工作。微尺度燃烧研究随之产生，它是相对于传统燃烧发生在较大的尺度范围内而言的。目前研究的微尺度燃烧一般发生在很小的尺度范围内，它们通常在低于1cm3的容积内发生。微尺度燃烧器具有价

3、格低廉、保存期限更长、能够提供更稳定的电压、再次添加燃料方便和不会污染环境等优点。微尺度燃烧的研究希望能够解决为可携带电子设备提供可长时间供应稳定电力的电源问题，但除了这一方面的应用外，微尺度燃烧还有一个重要应用领域，那就是在国防方面的应用。微型飞行器、微型卫星、现代战争中作战士兵，这些都要求高性能的动力、电力支持。解决这些问题迫切需要体积小、质量轻、能量和功率密度高的能源供给系统，但目前还没有合适的能源供给方式。而基于微尺度燃烧的微动力能源系统由于很高的功率密度，目前被认为是一种解决这些问题的很有前途的方法。相比传统燃烧器，微尺度燃烧器有如下特点：为了实现稳定的微尺度燃烧，

4、可依据燃烧热力学、动力学和层流预混燃烧理论设计科学的燃烧方法．下表为实现稳定微尺度燃烧方法。2．微尺度燃烧的研究进展微尺度燃烧的研究主要包含四个基本问题：燃烧机理；预热技术；微尺度内流动、传热与混合。2.1实验研究进展2.1.1国外实验研究进展(1)以烃类燃料为研究对象。在微通道内的烃类燃料的燃烧实验研究发现：(a)燃料在多根微尺度管组成的管束中维持高温燃烧的效果比单管好。[1](b)三维的瑞士卷式燃烧器可使来流气体的热焓被大大增加，提高了燃烧反应速度，降低了燃料的熄火间距，使得燃料在燃烧室内能够维持稳定的预混燃烧；同时出口尾气温度也被不断冷却，燃烧器的热量损失也被降低；有催

5、化剂的催化作用，燃烧室的温度可降低。[2](2)以其他燃料为研究对象。其他燃料在微通道内的燃烧实验研究结果表明：氢气空气混合气体采用预混和非预混进气进行燃烧时，预混进气时燃烧室的出口烟气温度较高，燃烧效率也较高；碳氢燃料在该微燃烧室内根本无法燃烧，放置催化剂膜能实现燃烧；特殊结构的微燃烧室能提高微燃烧效率。[3]2.1.2国内微尺度燃烧的实验研究(1)以甲烷燃料为研究对象。通过甲烷燃料的燃烧实验研究表明：(a)甲烷和氧气预混火焰可在微通道中传播，随着流量的增加，火焰区变大，火焰变得越来越不稳定；火焰传播速度和预混气体流量基本上呈线性递增关系。[4](b)在较高喷管出口速度时，

6、微火焰的形状和结构与常规尺度火焰相似；在较低速度下，喷口管径越小，浮力影响越明显；火焰的高度随喷管出口速度的增大而增大，随喷口直径的减小而减小；对于微小尺度下在无限大空间的空气中甲烷扩散火焰，吹熄速度与喷口直径无关，淬熄速度随喷口直径的减小而增加；存在临界熄灭直径和临界熄灭速度；随喷口直径的减小，微火焰的稳燃区间变小，极限功率范围变窄，最低功率变大，稳定燃烧条件更苛刻。[5](2)以其他燃料为研究对象。以其他燃料在微通道内燃烧的实验研究发现：(a)混合气可以在火焰管燃烧室内稳定燃烧，火焰管中的燃烧情况受混合气流量和氢气与氧气的混合比影响很大；火焰管燃烧室结构、喷口／火焰管燃烧

7、室截面比是影响燃烧的重要因素。[6](b)燃烧室壁温和铜片盖板温度随流量的增大而升高，基本上呈线性关系；在相同工况下铜片的温度比预混室壁温低的并不是太多；在当量比较接近时，不同当量比下壁面温度的差值并不明显；电压随流量的增大而升高。(c)不同管径的燃烧室中，当流量太时，火焰的燃烧不能持续；当流速超过某值时，在任何条件下，燃烧不会在直管内发生，但它可以在管外发生；只有当进口流速在某个区间内，稳定的燃烧才能在直管内发生；火焰核心的位置相对于不同的进口流速是变化的。(d)当喷嘴孔径中一定时，在不同流量不同混合