平板狭缝间碳氢燃料微小火焰特性的实验研究

摘要

随着 MEMS技术的进步，以及商用便携式设备和微型飞行器的迅速发展，人们对高能量密度的便携式微能源系统提出了更高的要求。不同于常规尺度的燃烧器，当微燃烧器的特征尺寸在毫米量级时，微燃烧器的表面积体积比迅速增大，导致微尺度燃烧存在反应物停留时间短、壁面热损失大、化学熄火加剧等困难，这些因素会促使微尺度火焰出现不稳定甚至熄火。
　　本文采用实验方法考察了平板狭缝间不同碳氢燃料/空气预混火焰的特性，探索了微通道中导致火焰不稳定和熄火的机制，进一步完善了微尺度火焰的燃烧现象和理论。
　　首先测量了平板狭缝火焰燃烧装置中碳氢燃料预混火焰的熄火距离，考察了燃料种类、燃烧器壁面温度、当量比和出口速度对预混火焰熄火距离的影响。实验发现，甲烷/空气预混火焰的熄火距离大于正丁烷/空气预混火焰的熄火距离，丙烷/空气预混火焰的熄火小于正丁烷/空气预混火焰的熄火距离，乙烷/空气预混火焰的熄火距离最小。对影响火焰熄火距离的因素进行了分析，发现壁面温度越高，火焰的热损失越小，熄火距离也越小。当量比越高，燃烧反应越强烈，火焰的熄火距离也越小。随着燃料预混气的出口速度增加，火焰的熄火距离先是减小，然后趋于稳定。
　　然后采用高速摄影观察了火焰熄火的动态。结果表明，随着平板间的距离逐渐减小，火焰经历了三个主要阶段。在第一阶段，火焰处于稳定状态，随着平板间距的减小，火焰的位置逐步升高。第二阶段，火焰处于规律性的脉动阶段，火焰的脉动频率和平板间距无关。第三阶段，火焰熄灭，当平板间距小于熄火距离时，火焰不能维持在脉动状态而熄灭。对不同燃料的空气预混火焰脉动频率进行了比较，乙烷和丙烷的空气预混火焰脉动频率大于正丁烷/空气预混火焰的脉动频率，甲烷/空气预混火焰的脉动频率最小。不同燃料/空气预混火焰的脉动范围也不相同，正丁烷/空气预混火焰的脉动范围最大，丙烷和乙烷的空气预混火焰的脉动范围大于甲烷/空气预混火焰的脉动范围。
　　最后采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)在不同的壁面温度和平板间距下对不同燃料预混火焰中 OH自由基的浓度分布进行了测量，分析了 OH自由基的分布规律，并考察了火焰位置随平板间距的变化。结果表明，随着平板间距减小，火焰中 OH自由基的最大浓度下降，随着壁面温度升高，火焰中 OH自由基的最大浓度增大。随着平板间距的减小，火焰位置初始保持稳定，当达到特定的距离时，火焰快速的向下游移动，直至火焰熄灭，且壁面温度越高，火焰位置越靠近喷嘴。
　　本文的研究结果丰富了微尺度燃烧理论，为微尺度燃烧器的设计提供了数据支持，为有效提升微型能源动力系统的运行稳定性奠定了基础。

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1 绪论

1.1 微尺度燃烧的背景

1.2 微燃烧器存在的主要问题

1.3 微通道中微尺度燃烧的研究进展

1.3.1 熄火距离的研究

1.3.2 操作参数对微尺度燃烧的影响

1.3.3 微通道内的火焰形态

1.3.4 微通道内火焰中的OH自由基分布

1.4 本文研究内容

2 平板狭缝间微小火焰的熄火距离

2.1 实验装置和实验方法

2.2 实验结果及分析

2.2.1 四种碳氢燃料预混火焰的熄火距离

2.2.2 当量比对熄火距离的影响

2.2.3 燃料预混气出口速度对熄火距离的影响

2.3 小结

3 平板狭缝间微小火焰的火焰形态

3.1 实验装置和实验方法

3.2 实验结果及分析

3.2.1 随平板间距变化预混火焰的不同形态

3.2.2 火焰脉动的频率和脉动区间

3.3 小结

4 平板狭缝间微小火焰的OH基分布

4.1 碳氢燃料链式反应理论

4.2 实验装置和实验方法

4.2.1 OH自由基及其测量方法

4.2.2 实验装置

4.2.3 实验方法

4.3 实验结果及分析

4.3.1 丙烷预混火焰中OH自由基分布图

4.3.2 实验结果分析

4.4 小结

5 结论和展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢