微尺度燃烧综述报告.doc

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、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(Micro Electro Mechanical Systems ) 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，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。32.1.2 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，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比下，微燃烧室壁面温度的分布趋势相同；改变喷嘴孔径中会使微燃烧室内火焰中心位置发生变化，影响燃烧状况。(e) 采用回流区能实现稳定的微尺度燃烧，同时发现分别进气时微燃烧器的运行界限要明显宽于预混进气；预混进气时微燃烧器的燃烧效率和壁面温度比分别进气时高；由于回热夹层的增焓效应，夹层中来流反应气体吸收了燃烧室壁面散热，增加了来流反应气体自身的热焓，激发了反应气中更多的活性分子，提高了燃烧反应速度，从而提高了燃烧效率和出口尾气温度。 2.2 微尺度燃烧的数值模拟研究进展 随着高速电子计算机的飞速发展，从20世纪60年代末期以来，CFD(Computational Fluid Dynamics) 很快发展成为一种解决实际问题的重要工具现阶段国内外将计算流体动力学技术应用于解决微尺度燃烧问题已经取得了一些研究突破。2.2.1 国外微尺度燃烧的数值模拟研究 国外学者对微尺度燃烧进行了大量的数值模拟研究，研究主要有：(a) 采用一步反应模型研究微尺度条件下的逆流再热燃烧器内的燃烧，研究发现逆流导热对燃烧极限具有主要的影响。(b) 通过商业软件 FLUENT研究微尺度燃烧器尺度、导热、壁面厚度和材料、外部热损 失和运行条件对燃烧特性和火焰稳定性的影响。研究发现壁面导热和厚度是重要的决定逆流传热的因素，而逆流对点火和火焰稳定很必要。同时导热和厚度是重要的决定通过控制存在的热点的材料的完整性的因素。(c) 用FLUENT二维层流燃烧模拟对微推进器燃烧器进行了研究，得出在海平面和太空 中相同条件下燃烧时压力不同的结论。2.2.2 国内微尺度燃烧的数值模拟研究 国内的许多学者也对微尺度燃烧进行了大量的数值模拟研究，研究主要有：(a) 微尺度燃烧器内的甲烷催化燃烧的数值模拟结果表明由于Pt的催化燃烧能够在2ram直径的微通道内稳定进行，突破了甲烷常规火焰的熄灭间距。(b) 以均匀空气流中圆管形成的甲烷射流扩散火焰为对象，用数值解析的方法研究 了微尺度扩散火焰的火焰结构和燃烧特性。数值结果表明，随着喷口直径的增大，微火焰的上方出现回流，影响了火焰向上方的伸展，火焰形状有变得扁平的趋势；存在熄灭极限和稳定燃烧区的最小发热率。(c) 采用Longwell良搅拌反应器模型和详细化学反应机理对微尺度空腔内气体预混燃烧过程进行了零维数值模拟 ，分析发现高腔体压力和小环境对流换热系数可拓宽腔体半径或预混气流率的上下限；在 H空气、CH4空气、CH4/02三种预混气的微尺度预混燃烧中， H空气最适合组织微尺度燃烧；腔体越小，系统启动所需的温度和压力就越高。(d) 使用FLUENT和DETCHEM数值模拟了甲烷空气混合物在微通道内、布置不同催化剂表面微燃烧器的燃烧过程。模拟显示当量比为0.4时，可以实现持续、稳定的转变，但总转变率与工况条件和催化表面的大小与布置有关。在催化剂有效的活性温度范围内，混合物的温度越高，甲烷的转变率越大。扩散、吸附和解吸过程越快，反应物与催化表面的接触时间越长，甲烷的转变率越高。(e) 研究在逆流换热微燃烧器内甲烷空气混合物在催化表面上的燃烧过程以及外壁与环境换 热条件对甲烷空气混合物催化燃烧的影响。模拟结果显示采用有逆流换热和表面催化的微型燃烧器可以实现甲烷一空气混合物的稳定燃烧，同时可有效地回收高温烟气的热量，提高能量的利用率，使燃料的化学能得到充分的利用。通过优化逆流换热微燃烧器设计、选择合适的结构材料 和催化剂，可以建立利于燃料着火燃烧的燃烧核心区和良好的换热条件，实现燃料稳定燃烧的同时，又可以使燃烧器外壁处于合适的温度范围内，有利于微燃烧器的实际应用，提高微燃烧器的实用性和应用范围。(f) 通过对微细直管的燃烧数值模拟研究发现数值模拟结果与实验测量值比较接近，氧气流量增大，燃空比减小，燃气反应区扩大，火焰前锋 向下游移动；微细管的直径很小如果要充分燃烧，需要较长的微细管；减小外壁面的散热对于微尺度燃烧器非常重要。3. 未来微尺度燃烧研究方向 针对现有研究中存在的问题，未来的研究方向有：(1) 仔细研究微燃烧器中气体的流态以及粘性的影响，深入分析微燃烧器中气体的流动特性，为今后的超微燃烧器设计打下理论基础。(2) 加强对催化燃烧的研究。在微尺度燃烧中,由于燃烧器尺度的减小,导致比表面积增大,散热速率急剧提高,使常规火焰无法稳定,使燃烧过程难以维持;其次,火焰传播的灭火极限直径也使得常规火焰无法在如此小的燃烧器内传播。催化燃烧应具备以下特点:首先,催化燃烧的反应区域固定,使燃烧器的设计趋于简单;其次,催化燃烧的温度较低,能够有效地降低热量损失和污染物的排放;最后,催化燃烧在催化表面进行,使其更加适合应用于表面积与体积比很大的微型动力系统。因此催化燃烧成为目前被采用的比较有效的解决微尺度燃烧的途径。由于粘性作用的加强和尺度的减少估计催化剂表面的气体将会处于层流状态，这样就会不同于目前常规条件下催化剂表面的紊流工况这种不同如何影响催化剂的催化效果，如何在超微燃烧器当中更好地发挥催化燃烧的优势，都是亟待解决的问题。(3) 加强微燃烧器中热量传递机理研究。4. 结论 当前国内外正在开展的研究重点在技术和工艺上，所有这些关于微尺度燃烧的研究基本都在探索阶段，由于制造、测量的限制以及对微结构内燃烧传热等机制研究的相对较少 ， 在制约 系统成败的关键问题，特别是如何实现微尺度燃烧等问题上的研究由于理论和试验模型的缺乏，仍然没有突破性的进展，因此微尺度燃烧的应用都并不十分成熟，要从实验室走向应用的层面还有许多工作需要开展 参考文献：1 Lee Dae Hoon, Kwon Sejin. 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