介观尺度下活性炭微粒的光镊捕捉、点火和扩散燃烧特性研究-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．17(2014)178802介观尺度下活扩性散炭燃微烧粒特的性光研镊究捕冰捉、点火和黄雪峰)李盛姬2)十周东辉)赵冠军)王关晴)徐江荣)1)(杭州电子科技大学理学院，杭州310018)2)(杭州电子科技大学材料与环境工程学院，杭州310018)(2014年4月26日收到；2014年5月28日收到修改稿)为探索介观尺度下固体燃料微粒的燃烧现象，本文提出采用光镊工具对活性炭微粒进行捕捉、悬浮、定位，再通过激光点燃，研究其着火及扩散燃烧特性．介观尺度燃烧室中，光镊捕捉7．0m活性

2、炭微粒的最低捕捉功率为3．2血w，捕捉速率范围为103．7—70．0p．m／s；活性炭微粒在静止气流中的最低点火功率为3．2IIl_w，颗粒的等效粒径、周长、面积和圆形度对最低点火功率影响甚微，点火延迟时间约48ms，提高点火功率，点火延迟时间缩短，最小点火延迟时间小于6ms；活性炭在着火后先发生无焰燃烧，紧接着发生有焰燃烧，无焰燃烧的扩散燃烧速率满足粒径平方直线规律，其燃烧速率范围为15．0—8．0~m／s；有焰燃烧的火焰面积和强度随燃烧时间发生闪烁，其闪烁频率约29．1Hz．对于粒径为3．0btm的活性炭微粒，从加热到完全

3、燃烧殆尽所需时间约0．648S．结果表明：对于聚焦后的高能激光束点燃活性炭微粒的着火属于联合着火模式，在挥发份析出之前，活性炭非均相着火而发生无焰燃烧，挥发份析出后被点燃发生均相着火，火焰面始终保持圆形．关键词：微燃烧，光镊，固体燃料，点火PACS：88．20．JJ，47．70．PqDOI：10．7498／aps．63．178802统“PowerMEMS”，可产生电能20W和推力0．1251引言N．而后“PowerMEMS”扩展到微燃料电池、微型核电池、微型热机系统等．无论哪种系统，从能量随着微电机械系统(MEMS)技术的发展

4、，因能密度角度来看，基于微燃烧的微能源系统非常有满足可携带电子设备的长时间供电和微小型航空吸引力．不同能量装置的能量密度分布见图1[2]_航天设备高性能动力源和电源的需求，微能源系可见，微型硅基燃烧室的能量密度最高，达到2000统的研究引起了广泛的重视，如微／纳卫星、微飞行MW／m0：如果硅基燃烧室产生的高温高压气体驱器、“陆军勇士”单兵作战系统、机器蚂蚁、移动式电动微透平和微发电机工作，即使热电转换效率仅子设备微能源系统等．传统微能源系统大多基于5％，其能量密度也为目前微型锂电池的百倍．微锂电池组进行供电，但锂电池组供电存在

5、诸多目前，基于微燃烧的微能源系统所使用的燃料不足：能量密度较低、供电时间较短、重复使用时普遍为气体燃料，因为气体燃料的燃烧热值高，易充电时间较长等，因此难以满足新型微能源系统体于点燃，假设能量转换效率为20％，气体燃料燃烧积小、重量轻、能量密度高、不间断长时间供电等的的能量密度也能达到2000W．h／kg以上．但气体燃要求．料不易存储、携带，对于微型航空航天设备以及便1996年，Epstein等[]首次提出新型微能源系携式设备而言是一个较大的问题．因此存在一个疑}国家自然科学基金(批准号：51276053，51006029)、

6、浙江省自然科学基金(资助号LY14E060002)和浙江省中青年学科带头人学术攀登项目(批准号：pd2013158)资助的课题．t通讯作者．E-mail：shengjili~hdu．edu．an@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wuliz~b．劫hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．17(2014)178802问：微燃烧燃料能否使用液体或固体微颗粒燃料?射的方法可获得很高的加热速度，而且不存在任何据作者调研结果来看，目前还基本没有见到微固体干扰[6-9]

7、．燃料颗粒在介观或微观尺度下燃烧的报道．无论是液体(油、醇类)颗粒燃料，还是固体(煤、金属)、生物质颗粒(稻草、秸秆)及混合燃料，其燃烧和气化试验研究方法很多，但不同实验方法和装置得到的结果不一致、影响因素不一致，缺乏统一的标准实验方法和实验装置机理的揭示不完暑≥全．而且，存在几个统一的难题：11不能实现无干扰式操作和测试；2)不能同时对单颗粒和颗粒群进越稍行定位测试；3)不能对亚微米级／纳米量级颗粒进行测试；41不能对燃烧和气化方式进行有效操控．由于存在上述缺陷本文提出采用激光光镊工具实现在介观尺度燃烧室内微颗粒燃料的捕获、

8、操控与点燃研究．Askin等人[10-15】对光辐射压力、辐图1(网刊彩色)不同能量装置的能量密度分布图射压力对粒子的作用、在真空中的浮运以及反馈控制实现精确定位等进行了研究，发现米氏粒子和瑞微颗粒燃料的燃烧机理和操控是最重要的研利粒子均能够被激光捕捉．因此利用光辐射力对粒究