《微小型過量焓油膜燃燒器的基礎問題及關鍵技術研究》是依託北京理工大學，由李軍偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微小型過量焓油膜燃燒器的基礎問題及關鍵技術研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：李軍偉
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著微電子技術和微機電系統的迅速發展，基於液體燃料燃燒的微發電/微動力系統越來越受到全世界的廣泛關注，非常有希望成為一種新型的可重複使用的替代電源。圍繞液體碳氫燃料在微燃燒器中燃燒時遇到的汽化困難和火焰穩定性差的關鍵問題，研究微尺度下液體燃料在多孔材料表面的成膜機理及蒸發特性、微細通道中油膜壁面與火焰的相互作用關係、微尺度下多孔材料油膜蒸發器與過量焓燃燒器的參數匹配和火焰穩定機理等。在深入研究液體燃料在多孔材料表面油膜燃燒特性的基礎上，提出外部加熱和高速氣流條件下多孔材料表面的成膜機理，探索微細尺度下油膜燃燒特性和油膜壁面與高溫火焰的相互作用關係；在深入分析微細尺度下油膜燃燒熄火機理的基礎上，建立微細尺度油膜蒸發與過量焓燃燒的耦合模型，探索兩者的匹配關係，提出微細尺度下液體燃料燃燒的穩燃機理和合理的微型燃燒器方案。該研究將為基於液體燃料燃燒的微動力系統的研究和開發提供理論依據和科學指導。
結題摘要
隨著微電子技術和微機電系統的迅速發展，基於液體燃料燃燒的微發電/微動力系統越來越受到全世界的廣泛關注，非常有希望成為一種新型的可重複使用的替代電源。圍繞液體碳氫燃料在微燃燒器中燃燒時遇到的汽化困難和火焰穩定性差的關鍵問題，本項目設計、加工了多種結構的液體燃料微型燃燒器，針對這些燃燒器開展了一系列實驗和數值仿真研究。 (1) 為了穩定火焰，本項目首先開展了微燃燒器中液體正庚烷與空氣/氧氣混合氣的燃燒實驗，研究了庚烷流量、當量比、外管和內管直徑等對燃燒器壁面溫度及內部流場的影響。結果表明，有套管燃燒器可燃範圍顯著增加，貧燃極限降低到當量比等於0.6。內外管直徑變化影響火焰位置以及壁面溫度分布。 (2) 為了增強微燃燒器中的火焰穩定性，在燃燒器內管中放置了多孔介質。本項目對不同當量比、不同套管結構和有無多孔介質條件下，液體正庚烷/空氣在微燃燒器內的擴散燃燒進行了實驗研究。燃燒器內管為內徑4mm的石英管，外套管分別採用了內徑10mm的單層套管和真空套管，多孔介質材料採用聚丙烯腈基碳氈。研究結果表明，對於相同的正庚烷流量，當量比大於5時，擴散火焰緊貼並包圍著庚烷液滴。隨著當量比的減小，火焰逐漸向內管出口移動，最終穩定在內管出口。回熱套管能顯著減小微燃燒器的熱損失，擴展了可燃極限，真空套管的散熱損失更小。多孔介質能促進液體正庚烷的蒸發和混合，而且在富燃工況下多孔介質可以增加正庚烷/空氣燃燒的單步化學反應速率。 (3) 此外，本項目還模擬了微燃燒器流動和燃燒過程，研究了進氣方式、外部散熱、當量比和內管直徑等參數對微燃燒器熱損失、可燃極限等的影響。結果表明，當燃料和空氣從內管注入時，有利於火焰穩定和燃料的預熱，否則容易造成氣流波動和火焰振盪。當燃料和空氣從外管注入時，從內管外壁面注入燃料可以使火焰穩定在內管壁面附近，防止火焰被吹熄。當燃燒室沒有外套管時，火焰位置隨著空氣流速和外部散熱係數改變；但是當增加外套管時，燃燒器能夠在更大的雷諾數和大散熱係數下穩定工作。 (4) 最後，本項目建立了圓柱式微尺度液膜微燃燒室內的一維傳熱模型，通過對燃燒室內熱量損失率和熱量循環率的分析，研究了庚烷、甲醇和乙醇在不同燃燒室結構和當量比條件下燃燒室內的能量損失和能量傳遞問題，以及燃料種類、當量比和燃燒室結構對微尺度液膜燃燒特性的影響。
