微尺度燃燒及其應(yīng)用》針對微小通道內(nèi)的燃燒過程，在介紹研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對微型動力裝置的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行綜述，并著重介紹課題組十多年來的研究工作。《微尺度燃燒及其應(yīng)用》共分6章：第1章主要介紹微尺度燃燒的背景、定義、特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)以及國內(nèi)外的研究進(jìn)展；第2章對課題組在微尺度燃燒過程中所采用的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究方法進(jìn)行介紹；第3章通過實(shí)驗(yàn)測試的方法，分析不同氣體燃料在平板式微燃燒室中的可燃界限和火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕坏?章討論燃燒室形狀、混合氣體流速和當(dāng)量比、壁面材料以及燃料種類等對微尺度燃燒過程的影響；第5章剖析微型燃燒器中內(nèi)部流場的合理組織、多孔介質(zhì)燃燒、過量焓燃燒、催化燃燒以及摻氫燃料燃燒等方法的實(shí)施效果和強(qiáng)化作用機(jī)制；第6章對幾種常見微型動力裝置的工作原理、特點(diǎn)以及發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了簡要的介紹。
能源動力、微型機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)、燃燒等領(lǐng)域科技工作者，高等院校工程熱物理、熱能工程等專業(yè)的研究生
目錄
前
第1章 緒論 1
1.1 微尺度燃燒的定義 1
1.2 微尺度燃燒的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn) 1
1.2.1 材料與加工 2
1.2.2 駐留時(shí)間 2
1.2.3 大的面容比造成的傳熱損失 3
1.3 微尺度燃燒的發(fā)展動態(tài) 3
1.3.1 微尺度燃燒特性 4
1.3.2 微尺度燃燒的強(qiáng)化 6
1.4 本書內(nèi)容介紹 11
參考文獻(xiàn) 11
第2章 微尺度燃燒的研究方法 16
2.1 微尺度燃燒的實(shí)驗(yàn)研究 16
2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置 16
2.1.2 底座設(shè)計(jì) 17
2.1.3 燃燒室的制作 18
2.1.4 氣體供給系統(tǒng) 19
2.1.5 實(shí)驗(yàn)照片拍攝裝置 20
2.1.6 溫度測量裝置 20
2.1.7 尾氣測量裝置 21
2.1.8 測試方法與基本步驟 24
2.2 數(shù)值模擬 26
2.2.1 幾何模型的建立 27
2.2.2 微型燃燒器的網(wǎng)格劃分 28
2.2.3 流動、傳熱及燃燒模型的構(gòu)建 28
2.2.4 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型 31
2.2.5 計(jì)算方法 33
2.2.6 物性參數(shù) 33
2.2.7 邊界條件 35
2.2.8 網(wǎng)格無關(guān)性 36
2.2.9 模型的驗(yàn)證 36
2.3 本章小結(jié) 38
參考文獻(xiàn) 39
第3章 微尺度燃燒過程的可燃界限及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?40
3.1 微燃燒室結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)工況 40
3.2 甲烷和氧氣在微燃燒室內(nèi)的可燃界限 43
3.3 甲烷和空氣在微燃燒室內(nèi)的可燃界限 45
3.4 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?47
3.4.1 平板式微燃燒室內(nèi)的反復(fù)熄燃火焰 49
3.4.2 帶鈍體小球的平板式微燃燒室內(nèi)的反復(fù)熄燃火焰 52
3.5 本章小結(jié) 57
參考文獻(xiàn) 58
第4章 微尺度燃燒過程的影響因素 59
4.1 燃燒室參數(shù)的影響 59
4.1.1 燃燒室的形狀 59
4.1.2 壁面材料的影響 62
4.2 燃燒室入口參數(shù)的影響 64
4.2.1 當(dāng)量比的影響 64
4.2.2 入口流速的影響 67
4.2.3 燃料種類的影響 71
4.3 本章小結(jié) 75
參考文獻(xiàn) 75
第5章 微尺度燃燒的強(qiáng)化方法 77
5.1 內(nèi)部流場的合理組織 77
5.1.1 內(nèi)部擾流 77
5.1.2 多傳熱通道 80
5.2 多孔介質(zhì)燃燒 86
5.2.1 多孔介質(zhì)材質(zhì)的影響 87
5.2.2 孔隙率的影響 88
5.3 過量焓燃燒 90
5.3.1 回?zé)嵝臀⑷紵鞯脑O(shè)計(jì)方法 90
5.3.2 兩種燃燒器的對比 91
5.3.3 當(dāng)量比的影響 93
5.3.4 隔板長度的影響 94
5.4 催化燃燒 96
5.4.1 催化燃燒的燃燒特性 96
5.4.2 催化燃燒對氣相燃燒極限的拓展 100
5.5 摻氫燃料 101
5.5.1 摻氫對混合燃料火焰穩(wěn)定性的影響 102
5.5.2 摻氫對可燃通道高度的影響 106
5.6 本章小結(jié) 108
參考文獻(xiàn) 108
第6章 微尺度燃燒的應(yīng)用 110
6.1 帶有運(yùn)動部件的微動力機(jī)電系統(tǒng) 110
6.1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī) 110
6.1.2 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 113
6.1.3 微型自由活塞式發(fā)動機(jī) 117
6.1.4 微型擺式發(fā)動機(jī) 121
6.2 無運(yùn)動部件的微動力機(jī)電系統(tǒng) 123
6.2.1 微型熱光電系統(tǒng) 123
6.2.2 微型熱電系統(tǒng) 128
6.2.3 微型推進(jìn)器 136
6.3 本章小結(jié) 143
參考文獻(xiàn) 143
第1章 緒論
微尺度燃燒的研究伴隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展而備受重視，并在微納制造技術(shù)的支持下得以快速發(fā)展。研究微尺度燃燒的目的有兩個(gè)方面，一是對微小尺度條件下燃燒特性和機(jī)理的揭示，二是面向基于燃燒的微動力系統(tǒng)發(fā)展高效清潔的微燃燒器，以獲得重量輕、使用時(shí)間長的能量供給系統(tǒng)，并能廣泛用于微型交通工具、無線設(shè)備和便攜式數(shù)字產(chǎn)品[1-4]。微尺度燃燒包含常規(guī)尺度燃燒過程的所有環(huán)節(jié)，并受到尺度效應(yīng)的影響，且相關(guān)場量的測試較困難，研究難度大大增加。
1.1 微尺度燃燒的定義
由于燃燒的定義很明確，微尺度燃燒的定義主要由如何界定微尺度所決定。目前，微尺度的定義方法通常有三種。種定義方法是根據(jù)燃燒室結(jié)構(gòu)大小來定義，即燃燒室實(shí)際特征尺寸小于1mm就叫做微尺度燃燒，燃燒室實(shí)際大小在1mm～1cm則稱之為小尺度燃燒。這種定義方法廣泛地應(yīng)用于微型發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。第二種定義方法是利用火焰淬熄距離來定義。如果燃燒室尺寸小于火焰淬熄距離，可稱之為微尺度燃燒。這種定義方法因其更適合基礎(chǔ)性研究，受到科研工作者的青睞。然而，火焰淬熄距離會因燃料組分及燃燒室壁面特性(溫度和材料表面活性)的不同而不同，所以很難定量地定義微尺度和小尺度的差別。第三種定義微尺度的方法是將燃燒器與常規(guī)尺度裝置的燃燒器進(jìn)行對比。例如，用于微型衛(wèi)星的微型燃燒器，其尺寸就不一定是微尺度級別的，只要它用于相比傳統(tǒng)衛(wèi)星(大約1000kg)小得多的微型衛(wèi)星(重量大約10～100kg)就可以稱其為微型燃燒裝置。因此，這種定義方法常常用于開發(fā)衛(wèi)星推進(jìn)器的情況。
1.2 微尺度燃燒的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)
動力系統(tǒng)的目標(biāo)是高能密度和高效率，這意味著對于有旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動部件的動力系統(tǒng)，需要達(dá)到相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速和頻率，也就帶來了一系列如材料選擇、制造、裝配和摩擦等問題。對于熱機(jī)，需要選擇耐高溫的材料，同時(shí)又需將高溫部分和低溫部分有效地隔離，這在微尺度機(jī)械裝置上是非常有挑戰(zhàn)性的，特別是當(dāng)使用硅之類的高熱傳導(dǎo)材料時(shí)更是如此。此外，流體泄漏也是需考慮的問題。
1.2.1 材料與加工
常規(guī)發(fā)動機(jī)燃燒器所用的材料一般為鑄鐵或鋁合金，部分零件則使用鈦、鎳鈷合金等，但這些材料對溫度和應(yīng)力都有嚴(yán)格的限制。所以在常規(guī)發(fā)動機(jī)中都有較強(qiáng)的冷卻系統(tǒng)來降低燃燒器壁面的溫度。而且，冷卻系統(tǒng)要帶走燃燒器中的一部分熱量，從而進(jìn)一步降低了燃燒器的效率。由于微型發(fā)動機(jī)的體積很小，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較困難，這就使燃燒器的壁面溫度急劇升高，所以制造微型燃燒器的材料必須具有較強(qiáng)的耐高溫性能。近幾年研究出來的耐火陶瓷(如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC))在微尺寸范圍內(nèi)具有承受應(yīng)力高、可適應(yīng)溫度范圍廣、機(jī)械性能和抗幾何變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這正是微型燃燒器的壁面材料所應(yīng)具有的性能。
常規(guī)發(fā)動機(jī)零部件的加工精度一般在毫米級，而微型發(fā)動機(jī)零部件的尺寸都在10～100μm級，個(gè)別部件的加工尺寸甚至只有幾個(gè)微米。在這么小的基準(zhǔn)尺寸上要保持較高的加工精度，其難度是可想而知的。所以不能使用常規(guī)的機(jī)械加工方法來制造微型發(fā)動機(jī)的零部件。對此只能使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)、深度活性離子蝕刻技術(shù)、電子放電技術(shù)以及電化學(xué)加工(EFBA)技術(shù)等才能達(dá)到這樣的加工精度。
1.2.2 駐留時(shí)間
在微型燃燒器中重要、有技術(shù)挑戰(zhàn)性的一點(diǎn)就是如何提高和分配燃料和氧化劑的駐留時(shí)間。駐留時(shí)間一般包括燃料和氧化劑的混合時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)所用的時(shí)間。其中，化學(xué)反應(yīng)所需的時(shí)間大約為幾十微秒，大部分時(shí)間都用于燃料和氧化劑的混合。如果常規(guī)的燃燒器的容積變?yōu)?/500，并保持相同的單位面積質(zhì)量流率，那么在微型燃燒器內(nèi)的駐留時(shí)間就為0.05～0.1ms。這和碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)反應(yīng)特征時(shí)間(0.01～0.1ms)處于同一量級上。顯然，在這么短的駐留時(shí)間內(nèi)保障燃料和氧化劑的混合和燃燒是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
1992年，Kerrebrock給出了燃燒器內(nèi)駐留時(shí)間的簡化公式[5]？
1.1
式中，L為長度；Ab為燃燒器橫截面積；A2為壓縮器流通面積；c為壓縮比；γ為多變指數(shù)；m為空氣流通速率τres為駐留時(shí)間。
由式(1.1)可知：假設(shè)兩者的單位面積質(zhì)量流率m？/A2相同，那么壓縮器的流通面積A2和燃燒器的長度L受發(fā)動機(jī)的總體尺寸的約束以及多變指數(shù)γ基本上都保持不變。因此，只有增大燃燒器相對于發(fā)動機(jī)的尺寸Ab才能提高燃燒的駐留時(shí)間，從而保障燃料在燃燒器內(nèi)充分燃燒。
另一方面，可以從降低燃料在燃燒器內(nèi)的混合時(shí)間以及燃料本身的燃燒時(shí)間的角度來縮短燃料燃燒所需的駐留時(shí)間，從而使燃料在微型燃燒器內(nèi)進(jìn)行充分燃燒。例如，采取稀燃技術(shù)、提高燃燒器內(nèi)的工作壓力和混合氣體溫度以及在燃料和空氣進(jìn)入燃燒室前就將兩者進(jìn)行充分地混合等方法，都可以降低燃料的混合時(shí)間。在降低燃料的燃燒時(shí)間方面，可以采用催化燃燒或者使用燃燒時(shí)間更短的新型燃料。
1.2.3 大的面容比造成的傳熱損失
大的傳熱損失不僅降低微型燃燒器的效率，而且還影響燃料燃燒的穩(wěn)定性。在微型燃燒器中要使燃料充分地燃燒，就必須保障有足夠的燃燒駐留時(shí)間來使燃料進(jìn)行混合和燃燒，這樣就不可避免地要增大微型燃燒器的面容比。因此，要減少傳熱損失就得從以下幾個(gè)方面來考慮：①降低可燃混合氣體與燃燒器壁面之間的溫差，這可以減少由于溫差傳熱造成的熱量損失。為此我們應(yīng)盡量使用無需冷卻的耐火陶瓷，從而提高燃燒器壁面的溫度來降低兩者之間的溫差。②使用催化燃燒可以降低燃料的著火溫度，進(jìn)而可以降低整個(gè)燃燒器內(nèi)的溫度，減少傳熱損失。③由于傳熱速率與氣體的流速以及傳熱距離成正比而與氣體的運(yùn)動黏度成反比，因此降低進(jìn)入燃燒器的混合氣體的流速、合理設(shè)置火焰中心的位置以及使用適當(dāng)?shù)幕旌蠚怏w濃度都可以降低傳熱速率，從而減少傳熱損失。
另外，需要說明的是，一些帶轉(zhuǎn)動部件的動力系統(tǒng)由于中心轉(zhuǎn)子的質(zhì)量很輕，若要輸出較大功率，轉(zhuǎn)子速度會非常高。如麻省理工學(xué)院所研究過的微型燃?xì)廨啓C(jī)，當(dāng)輸出功率為10W以上時(shí)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速度達(dá)到106r/min以上，而且在距離很小的動葉片和靜葉片的基片之間存在流體力學(xué)中的縫隙效應(yīng)，即動葉片和靜葉片的相對速度越大，中間流體的黏性系數(shù)越大，產(chǎn)生的摩擦熱就越大，這又反過來增加中間流體的黏性系數(shù)，因此，很容易產(chǎn)生過熱而燒毀材料。
1.3 微尺度燃燒的發(fā)展動態(tài)
微尺度燃燒隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展以及能量供應(yīng)的瓶頸限制等被學(xué)界提出，微尺度燃燒的研究一開始也主要是為應(yīng)用燃燒的微動力系統(tǒng)提供微燃燒室設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。微尺度燃燒起步較晚，從起初研究能不能在相應(yīng)的微尺度下燃燒，到目前研究怎樣更好地燃燒，科學(xué)家們針對微尺度燃燒器提出了各種不同的方案并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而理論方面的資料并不多。由于微尺度燃燒并不是簡單地在尺度上縮小，它會產(chǎn)生很多新的問題和挑戰(zhàn)：表面積相對增加、黏性效應(yīng)更加明顯、時(shí)間尺度縮短以及加工制造的限制。因此研發(fā)特定功能的微燃燒器首先要研究微尺度空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ァⅫc(diǎn)火和熄火、火焰穩(wěn)定性及其燃燒特性。下面將分別從微尺度燃燒特性及微尺度燃燒的強(qiáng)化兩個(gè)方面對其研究進(jìn)展進(jìn)行敘述。
1.3.1 微尺度燃燒特性
早在1992年，Ban等[6]在靜止空氣中進(jìn)行了微尺度自由射流擴(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由于火焰浮力效應(yīng)減弱以及火焰尺寸的縮小，火焰?zhèn)鞑ミ^程受化學(xué)動力學(xué)因素和擴(kuò)散控制的共同作用，后根據(jù)測量的火焰形狀建立了簡單的火焰結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
2001年，Ida等[7]對微擴(kuò)散火焰的熄火極限進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了微火焰的高度、火焰面厚度和噴管特征尺度的關(guān)系，并擬合出低速條件下空氣中甲烷擴(kuò)散火焰的熄火曲線。
2002年，Matta等[8]采用光學(xué)測量手段對丙烷微尺度火焰特征進(jìn)行測量，將其測得的火焰高度、熄火特性等與采用層流射流擴(kuò)散火焰模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，認(rèn)為采用上述模型可以正確預(yù)測微火焰燃燒過程中火焰高度等基本特征。
2002年，Raimondeau等[9]對圓管微通道內(nèi)的熄火特性進(jìn)行模擬研究，計(jì)算結(jié)果表明預(yù)熱以及絕熱條件可以保障火焰在微尺度條件下的穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn)在燃料進(jìn)口位置附近容易發(fā)生熄火，當(dāng)微燃燒室的半徑小于0.1mm時(shí)，火焰的穩(wěn)定性主要受流動特性的影響，而當(dāng)半徑為0.1～10mm時(shí)，火焰的穩(wěn)定性受熱擴(kuò)散強(qiáng)度和自由基活性共同影響。
2005年，臺灣成功大學(xué)和中華大學(xué)的研究者對亞毫米直徑管道中氫氣和空氣的微尺度擴(kuò)散燃燒特性進(jìn)行了研究[10]，并使用PLIF技術(shù)和非侵入性的紫外線拉曼散射技術(shù)來測量各種成分的濃度，尤其是—OH基團(tuán)，更是首次被測得。其探測器的尺寸為0.02mm0.04mm0.04mm。拍攝的圖片用來分析火焰形狀和反應(yīng)區(qū)，結(jié)果表明，在預(yù)熱空氣泄漏和熱擴(kuò)散增強(qiáng)耦合作用下能使氫氣在貧燃條件下燃燒，火焰特征表明浮力效應(yīng)非常小，這也與Spadaccini[11]的研究結(jié)果相吻合。
2013年，Hirasawa等[12]分別用一步總包反應(yīng)和基元反應(yīng)對微尺度擴(kuò)散火焰進(jìn)行數(shù)值模擬后指出甲烷在微尺度條件下的擴(kuò)散燃燒尺度極限為1mm3，功率極限為1W。
2003年，日本Toriyama等[13]設(shè)計(jì)的微型往復(fù)式發(fā)動機(jī)中其燃燒室容積為0.5mm3，燃燒溫度和壓力的峰值達(dá)到850K和1.4MPa，理論上可以達(dá)到50%的熱效率。實(shí)驗(yàn)中燃?xì)獾拇阆ň嚯x和燃?xì)馑俣葘θ紵页叽绲目s小有很大的影響，因此研究者終選擇使用氫氣作為微型發(fā)動機(jī)的燃料，該裝置驅(qū)動電力發(fā)生器可以產(chǎn)生26mV的電壓和40mW的輸出功率。Hua等[14，15]2005年指出，在燃燒室壁面熱擴(kuò)散作用增強(qiáng)和燃燒室特征尺寸減小的情況下，微尺度火焰更容易熄火。絕熱邊界時(shí)，當(dāng)燃燒室的尺寸大于絕熱火焰面厚度的情況下，火焰能保障穩(wěn)定性。
2007年，伊利諾伊大學(xué)Prakash等[16]研究了甲烷和氧氣的非預(yù)混氣體在氧化鋁燃燒室內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)，分析了非穩(wěn)定、動態(tài)和瞬態(tài)的火焰現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)火焰有類似于蜂窩狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定邊界。這些動態(tài)火焰終導(dǎo)致穩(wěn)定火焰(由分離的燃燒區(qū)域組成)的形成，燃料的類型、進(jìn)口處燃料與氧化劑的比率以及燃料與氧化劑流體之間的相對位移并不是影響火焰穩(wěn)定性的主要因素。
日本東京大學(xué)的Kuwana和近畿大學(xué)的Tagami等[17]提出了一種預(yù)測層流射流擴(kuò)散火焰在亞毫米直徑燃燒室內(nèi)的熄火極限理論，經(jīng)典Burke-Schumann理論首次用于分析一步總包化學(xué)反應(yīng)速率的影響。其次提出用活化能去預(yù)測擴(kuò)散火焰熄滅極限的理論方法，并且很好地與實(shí)驗(yàn)相吻合，燃燒室火焰熄滅起始于燃燒室的邊緣，當(dāng)在火焰尖端處的混合物比例分?jǐn)?shù)大于某一臨界值時(shí)發(fā)生熄火。實(shí)驗(yàn)和模擬均驗(yàn)證了這一微火焰熄滅現(xiàn)象。這一理論可應(yīng)用于甲烷、丙烷和丁烷等不同燃料。
2007年，伊朗設(shè)拉子大學(xué)的Kamali等[18]分析了各種壁面邊界條件的影響，如絕熱壁、熱損失和熱傳導(dǎo)系數(shù)等。研究表明，當(dāng)燃燒室的直徑變小，面容比增加后，這些因素的影響開始變大。例如，更快的熱量流失和更小的燃燒室尺寸使得燃燒室內(nèi)的火焰更容易淬熄。
2009年，新加坡國立大學(xué)的Li等[19]模擬了甲烷和空氣的預(yù)混氣體在微燃燒室的燃燒。分析了燃燒室尺寸大小結(jié)構(gòu)、進(jìn)口氣體速度剖面和壁面滑移邊界條件對火焰溫度的影響，模擬結(jié)果表明，較大尺寸的燃燒室(直徑=2mm)只有在進(jìn)口流速低于一定數(shù)值的時(shí)候才能達(dá)到更高的溫度。在直徑為1mm的燃燒室內(nèi)，相比于流速和進(jìn)氣溫度來說，壁面滑移的影響是可以忽略的。
Yang等[20]開展了微尺度不銹鋼管燃燒室的氫氧預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口流速小于1.3m/s時(shí)，燃燒難以在直徑為2.15mm的不銹鋼管中穩(wěn)定進(jìn)行；當(dāng)進(jìn)口流速在2～8m/s區(qū)間變化時(shí)，維持穩(wěn)定燃燒所需的小氫氣/空氣變化的范圍為0.45～0.9，相應(yīng)的過量空氣系數(shù)為0.467～0.933。對于第二、三種燃燒室，在相同的
