【摘 要】
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随着新材料和微加工技术的不断发展和进步,微小型机电装置民用和军事等领域被广泛应用。在机电装置微小型化进程中,设计出能量密度高、续航持久且稳定高效的微型动力系统是当前研究的重点。鉴于碳氢燃料燃烧的优势,基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统被提出,且有望解决微小型机电装置的供能问题。微尺度燃烧器作为微动力系统的核心,是其技术发展的关键所在。随着微燃烧器尺寸的减小,其面体比不可避免的增大,因此出现了热量损失显
【基金项目】
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国家自然科学基金（NO.51906088）； 江苏省自然科学基金（NO.BK20180872）；
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随着新材料和微加工技术的不断发展和进步,微小型机电装置民用和军事等领域被广泛应用。在机电装置微小型化进程中,设计出能量密度高、续航持久且稳定高效的微型动力系统是当前研究的重点。鉴于碳氢燃料燃烧的优势,基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统被提出,且有望解决微小型机电装置的供能问题。微尺度燃烧器作为微动力系统的核心,是其技术发展的关键所在。随着微燃烧器尺寸的减小,其面体比不可避免的增大,因此出现了热量损失显著增大和燃料停留时间变短等现象,从而导致燃烧不稳定和燃烧范围窄等难题。通过在大面体比的微燃烧室中引入催化燃烧的方式,能够有效解决上述难题。然而,目前对微尺度条件下催化燃烧的理解还远远不足,仍有必要继续探索。本文针对微尺度催化燃烧室内C3H8/Air预混燃烧特性进行了系统的实验和数值模拟研究,主要研究内容和结果如下:（1）搭建了可视化试验测试平台,针对C3H8/Air预混气体在微通道中的燃烧特性展开实验。结果表明:通过对比催化/非催化燃烧室中C3H8/Air的预混合火焰传播过程,发现催化条件下的预混火焰稳定在燃烧室的工况范围明显大于非催化条件下的;采用催化燃烧时的燃料可燃范围明显大于非催化时的,尤其是富燃催化燃烧时的提升显著;催化剂的添加能够降低火焰吹出燃烧室时的倾斜程度,使火焰更加稳定,从而拓宽了燃料的可燃范围;随着入口流速的增大,催化/非催化燃烧室的壁面最高温度均升高;在相同入口流速条件下,改变当量比时,发现当量比等于1.0时的催化/非催化壁面温度均最高;当减小燃烧室通道高度时,催化/非催化燃烧室壁面温度均降低;此外,对比催化/非催化时的燃烧室壁面温度分布,发现催化燃烧室的壁面最高温度要低于非催化的,但催化时的壁面温度分布更加均匀。（2）采用经过实验验证的C3H8/Air催化/非催化预混合燃烧的三维数值模型进行数值模拟,获得了不同流速和当量比下的催化/非催化燃烧特性。结果表明:当催化燃烧时,燃烧室中最高温度和中间产物OH、CO浓度均降低,故催化燃烧中反应进行的比非催化燃烧中更加彻底。在催化燃烧室中,气相点火距离总大于非催化燃烧室的,但两者之间的差距会受到流速和当量比的影响;在催化作用下,燃烧室中的热释放率得到提升;通过对比不同入口条件下的表面催化反应速率可以发现,高流速会降低表面催化反应的强度,而富燃时的表面催化反应强度最高。（3）通过数值模拟的方法详细分析了催化燃烧室中重要气相组分以及关键基元反应的变化规律。结果表明:相比于非催化时,催化时的气相反应中各基元反应对于组分消耗和熵产的敏感性均降低;催化燃烧室近壁面处的气相反应受到抑制,主要是由于表面催化反应对于反应物的吸附和对H2O的解吸附;催化燃烧室中的熵产要比非催化燃烧室中的低,所以能量损耗更小;通过对比催化/非催化燃烧室中的关键组分的浓度和净反应速率发现,表面催化反应抑制了气相反应中反应物的消耗,促进了最终产物的生成。
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