本书针对微小通道内的燃烧过程,在介绍研究现状的基础上,对微型动力装置的发展动态进行综述,并着重介绍课题组十多年的研究工作。主要内容包括:微尺度燃烧的研究方法;微尺度燃烧过程的可燃界限及火焰传播特性;微尺度燃烧过程的影响因素;微尺度燃烧的强化方法等。
在微加工技术强有力的推动下,微型机械和机电产品的开发获得持续的突破,并已在航空航天、生物医学、汽车、军事等领域展现出广阔的应用前景。但其动力供给系统却未能获得大的进展,致使完整的装置过大、过重或者不能长时间工作,这也日益成为微型机电系统进一步发展和推广的瓶颈。近年来,得益于功率密度高、供电时间长以及体积小等一系列优点,一些基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统引起了研究人员的浓厚兴趣。自美国麻省理工学院(MIT)的Epstein等首次提出了“PowerMEMS”的概念后,多种结构形式的微型动力装置被相继开发,它们在MEMS动力问题的解决上被寄予厚望,且其潜在应用场合也己向便携式电子器件、无线通信设备、士兵单兵作战、微型无人飞行器等领域迅速拓展。
作为各类微型动力装置的主要部件,微型燃烧器的工作性能对于系统的整体效率和功率密度至关重要。然而,当燃烧器微型化后,面容比的大幅提高,不可避免地加剧了散热损失,而火焰传播过程的自由基也会因容易与壁面发生碰撞而失活,这些均造成了燃烧过程不稳定甚至淬熄现象的发生。同时,尺度效应还将带来混合物驻留时间缩短的问题,从而增加了燃烧反应的不完全程度。作为基础燃烧理论研究领域的一个独特分支,微尺度燃烧过程己呈现出与常规尺度明显不同的特点。因此,该类研究对于燃烧基础理论的丰富以及高效微型动力装置的开发,均会带来积极的推动作用。
全书共分为6章,其中第1章主要阐述微尺度燃烧的特点、面临的挑战以及发展动态;第2章到第5章分别介绍微尺度燃烧的研究方法、可燃界限、火焰传播特性、燃烧过程影响因素分析和强化方法等方面的内容,主要是作者及其所指导的研究生开展的相关研究工作,工作与读者分享;第6章对多种典型的微动力装置的结构、工作原理等作出简要的说明。
本书的研究工作是在各类基金特别是国家自然科学基金的支持下进行的,这里包括作者参与的国内第一个微燃烧领域的国家基金(编号:50146008),这不但造就了作者与微燃烧的不解之缘,更使作者以此为方向培养了许多研究生,也为后续的多个基金获批打下了坚实的基础,在此对国家自然科学基金委员会表示衷心的感谢!
在本书的撰写过程中,江苏大学的潘振华讲师、朱跃进讲师、范宝伟讲师,研究生卢青波、张倚、刘启胜、章锐、查正乾等做了大量的补充实验和资料整理工作,在此对他们的辛苦付出表示感谢!同时感谢诸多从事微燃烧研究方面的专家对作者研究工作的建议和帮助!此外,江苏大学的李德桃教授、美国加州州立工业大学薛宏教授以及新加坡国立大学杨文明教授,长期以来一直为课题组微燃烧领域的研究工作和团队的发展默默奉献,在这里表示特别的感谢!
由于作者学术水平有限,书中难免存在不足之处,恳请同行和读者批评指正。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 微尺度燃烧的定义 1
1.2 微尺度燃烧的特点和面临的挑战 1
1.2.1 材料与加工 2
1.2.2 驻留时间 2
1.2.3 大的面容比造成的传热损失 3
1.3 微尺度燃烧的发展动态 3
1.3.1 微尺度燃烧特性 4
1.3.2 微尺度燃烧的强化 6
1.4 本书内容介绍 11
参考文献 11
第2章 微尺度燃烧的研究方法 16
2.1 微尺度燃烧的实验研究 16
2.1.1 实验装置 16
2.1.2 底座设计 17
2.1.3 燃烧室的制作 18
2.1.4 气体供给系统 19
2.1.5 实验照片拍摄装置 20
2.1.6 温度测量装置 20
2.1.7 尾气测量装置 21
2.1.8 测试方法与基本步骤 24
2.2 数值模拟 26
2.2.1 几何模型的建立 27
2.2.2 微型燃烧器的网格划分 28
2.2.3 流动、传热及燃烧模型的构建 28
2.2.4 化学反应动力学模型 31
2.2.5 计算方法 33
2.2.6 物性参数 33
2.2.7 边界条件 35
2.2.8 网格无关性 36
2.2.9 模型的验证 36
2.3 本章小结 38
参考文献 39
第3章 微尺度燃烧过程的可燃界限及火焰传播特性 40
3.1 微燃烧室结构及实验工况 40
3.2 甲烷和氧气在微燃烧室内的可燃界限 43
3.3 甲烷和空气在微燃烧室内的可燃界限 45
3.4 火焰传播特性 47
3.4.1 平板式微燃烧室内的反复熄燃火焰 49
3.4.2 带钝体小球的平板式微燃烧室内的反复熄燃火焰 52
3.5 本章小结 57
参考文献 58
第4章 微尺度燃烧过程的影响因素 59
4.1 燃烧室参数的影响 59
4.1.1 燃烧室的形状 59
4.1.2 壁面材料的影响 62
4.2 燃烧室入口参数的影响 64
4.2.1 当量比的影响 64
4.2.2 入口流速的影响 67
4.2.3 燃料种类的影响 71
4.3 本章小结 75
参考文献 75
第5章 微尺度燃烧的强化方法 77
5.1 内部流场的合理组织 77
5.1.1 内部扰流 77
5.1.2 多传热通道 80
5.2 多孔介质燃烧 86
5.2.1 多孔介质材质的影响 87
5.2.2 孔隙率的影响 88
5.3 过量焓燃烧 90
5.3.1 回热型微燃烧器的设计方法 90
5.3.2 两种燃烧器的对比 91
5.3.3 当量比的影响 93
5.3.4 隔板长度的影响 94
5.4 催化燃烧 96
5.4.1 催化燃烧的燃烧特性 96
5.4.2 催化燃烧对气相燃烧极限的拓展 100
5.5 掺氢燃料 101
5.5.1 掺氢对混合燃料火焰稳定性的影响 102
5.5.2 掺氢对可燃通道高度的影响 106
5.6 本章小结 108
参考文献 108
第6章 微尺度燃烧的应用 110
6.1 带有运动部件的微动力机电系统 110
6.1.1 微型燃气轮机 110
6.1.2 微型三角转子发动机 113
6.1.3 微型自由活塞式发动机 117
6.1.4 微型摆式发动机 121
6.2 无运动部件的微动力机电系统 123
6.2.1 微型热光电系统 123
6.2.2 微型热电系统 128
6.2.3 微型推进器 136
6.3 本章小结 143
参考文献 143