微型能源動力裝置及微尺度燃燒研究*

李 星，楊浩林，蔣利橋，趙黛青?，汪小憨?

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

0 前 言

隨著科學技術(shù)的進步，電子與機械產(chǎn)品的微型化和便攜化成為當今發(fā)展的主流趨勢。微電腦、便攜式檢測儀器、無人值守野外設(shè)備、緊急備用電源和微型機器人等這些微機械和微電子產(chǎn)品迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用，改變了人類的生產(chǎn)和生活方式，也成為人類文明發(fā)展的標志和推動力之一。目前，這些產(chǎn)品的能源供給方式主要采用自身攜帶的電池[1]。在過去20年中，隨著便攜式機電設(shè)備的功能大幅提升，相應(yīng)的電力消耗也增大了20倍[1]，而電池的能量密度卻沒有大幅度提升，難以給用戶提供理想的連續(xù)工作時間。顯然，采用先進的機械加工技術(shù)乃至微電子機械系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system,MEMS）技術(shù)，能夠把電子或機械產(chǎn)品做到微型化，但供能部件（如電池）卻成為整個系統(tǒng)中最笨重的單元，制約了產(chǎn)品微型化的實現(xiàn)，因而迫切需要研制新型的高能量密度、高功率重量比、長壽命的微型能源動力系統(tǒng)。

另一方面，在國防及國家安全事務(wù)方面，目前正大力發(fā)展微型無人機、野外便攜式電源和單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等先進國防裝備，這些裝備的最大特點是微小型化和智能化。電池是目前這些裝備主要采用的供能方式，美國國防部預(yù)研計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“微星”飛行器采用電池和電機螺旋槳組成動力系統(tǒng)，飛行器總重約100 g，其中推進裝置重20 g，電池重達45 g，整個動力裝置占飛行器重量的60%以上，極大地限制了飛行器能夠提供給飛行控制、偵察、數(shù)據(jù)通信等設(shè)備的有效載重量。即便這樣，“微星”的續(xù)航時間仍僅有10 min左右，無法達到國防裝備起碼的設(shè)計需求。因此，高能量密度、連續(xù)供能時間長的微型能源動力裝置的設(shè)計和制造是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一[2-3]，DARPA最早部署并一直持續(xù)該方面的研究。

以上動態(tài)顯示，高效微型能源動力系統(tǒng)的研發(fā)和制造能力已成為影響國家國防裝備競爭力的一個科技制高點。由于碳氫燃料具有較高的能量密度，可以提供較長的續(xù)航時間。因此，許多國家的研究機構(gòu)部署和開展了基于燃燒的可用于提供動能和電能的微型能源動力系統(tǒng)的研究[4-8]以及與其密切相關(guān)的微尺度燃燒的基礎(chǔ)研究。

1 基于燃燒的微型動力裝置

1.1 微燃燒能源動力裝置

二十世紀九十年代，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）燃氣輪機實驗室研發(fā)了基于MEMS技術(shù)的微型燃氣輪機系統(tǒng)[9]，系統(tǒng)總體積約為300 mm3，其中燃燒器的體積為 66 mm3，設(shè)計轉(zhuǎn)速2.4 × 106r/min，設(shè)計功率20 W，其燃燒室的示意圖如圖1所示。MIT相關(guān)研究人員還開發(fā)了6層結(jié)構(gòu)的微型燃氣輪機[10]，如圖2。這一研究提出了開發(fā)基于燃料燃燒的高能量密度微型能源動力系統(tǒng)的新思路。據(jù)分析，典型碳氫燃料的能量密度約為50 kJ/g，是目前可充電電池的100倍左右，理論上即使基于燃料燃燒的微能源動力系統(tǒng)的能效僅有10%，其供能時間也可以比充電電池提高一個數(shù)量級，且燃料補充迅速，易于更換。

圖2 MIT六層硅片燃燒室示意圖[10]Fig.2 MIT six-wafer micro gas turbine[10]

在美國之后，日本和歐洲分別也提出了類似的微型燃氣輪機系統(tǒng)[11]。我國率先開展相關(guān)微型動力系統(tǒng)工作的單位有中國科學院廣州能源研究所[12]、江蘇大學[13]、浙江大學、清華大學、北京工業(yè)大學等。為保證系統(tǒng)能效，微型燃氣輪機要求在100萬～ 200萬r/min的超高轉(zhuǎn)速下運行，要求軸承具有極高的耐溫、耐磨性能，對材料和工藝的要求極為苛刻，目前無法滿足長時間的有效運行。

在微型燃氣輪機以外，美國和日本開展了微型斯特林機的研究，功率為 25～100 W[14-15]，斯特林機雖然有連續(xù)燃燒的優(yōu)點，但傳熱學分析認為其效率與尺寸成正比關(guān)系，不適合微型化。

美國加州大學伯克利分?；趭W托（Otto）循環(huán)研究了四沖程的微型汪克爾發(fā)動機[16]，模型圖如圖3所示。該裝置以氫氣作為燃料，在9 300 r/min下獲得了3.8 W的輸出功率，效率不到0.5%，存在嚴重的泄漏與磨損問題。中國科學技術(shù)大學對微型汪克爾發(fā)動機工作性能進行了數(shù)值研究[17]。北京工業(yè)大學研制了轉(zhuǎn)速 7 800 r/min，功率 220 W 的小型汪克爾發(fā)動機[18]。

圖3 微型汪克爾發(fā)動機[16]Fig.3 Micro rotary engines[16]

為了克服汪克爾發(fā)動機的磨損和泄漏問題，美國哈利威爾公司和明尼蘇達大學合作研究了基于均質(zhì)壓燃的自由活塞爆震發(fā)動機[19]，如圖4所示。佐治亞理工學院將電機的永磁體集成到活塞中，研制了鐵磁自由活塞發(fā)動機[20]和雙活塞發(fā)動機，這些都屬于線性活塞發(fā)動機，設(shè)計輸出功率數(shù)十瓦，但未公布相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

圖4 基于均質(zhì)壓燃的自由活塞爆震發(fā)動機[19]Fig.4 The mesoscale free-piston “knock” engine using homogeneous charge compression ignition[19]

為充分利用發(fā)動機空間，提高能量密度，密西根大學提出了兩臂擺動式發(fā)動機[21]，其設(shè)計功率為數(shù)十瓦，可以按四沖程和兩沖程兩種工作模式工作，四沖程比兩沖程熱效率高，但能量密度低。

中國科學院工程熱物理研究所[22]、中國科學院廣州能源研究[23]及南京航空航天大學在“973”項目的支持下設(shè)計研制了微型發(fā)動機并對其工作特性進行了研究，樣機如圖5所示。最新的實驗表明一種采用丁烷為燃料的微型發(fā)動機樣機的指示功率接近百瓦，指示熱效率達到5%左右；另一種采用甲烷為燃料的微型發(fā)動機樣機的單缸指示功率達到百瓦以上，指示熱效率超過10%，該研究成果領(lǐng)先于目前報道的同類尺度微型發(fā)動機的性能。

圖5 具有4個燃燒腔的微型擺式發(fā)動機[22]Fig.5 Mesoscale internal combustion swing engine (MICSE)with four combustion chambers[22]

1.2 微燃燒推進器

用于微小型軍事設(shè)備推進和姿態(tài)調(diào)整微型推力裝置是微尺度燃燒的另一個應(yīng)用。微型衛(wèi)星[24]一般指質(zhì)量為1～20 kg的衛(wèi)星，而納米衛(wèi)星則指質(zhì)量低于1 kg的衛(wèi)星，如圖6，具有成本低、質(zhì)量輕、體積小、性能高和研究周期短等特點，因而可極大地提高發(fā)射可靠性并增加發(fā)射次數(shù)。單顆廉價小衛(wèi)星既可用于快速完成單項任務(wù)，又能與其他小衛(wèi)星組成衛(wèi)星群，完成復雜任務(wù)。

圖6 微小衛(wèi)星點陣[24]Fig.6 Digital micro propulsion micro spacecraft array[24]

圖7 微小衛(wèi)星推動系統(tǒng)[25]Fig.7 High-pressure bipropellant micro thruster by stacked silicon wafers developed at MIT[25]

2001年，MIT的LONDON等[25]設(shè)計制造了一種微型火箭發(fā)動機，其推動裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。該發(fā)動機由 5到6片硅片疊在一起組成，硅片上制作有燃燒室、噴嘴、微泵、微閥及冷卻管道。整個發(fā)動機約長 15 mm、寬 12 mm、厚 2.5 mm。設(shè)計采用液態(tài)氧和乙醇作燃料，設(shè)計推力重量比大于1 000∶1，推力功率 20 kW。在采用 12.67 MPa的甲烷氧氣混合氣燃燒實驗中，得到了1 N的推力，推力功率為750 W，推力重量比達到85∶1。

1.3 微燃燒器、微熱電及微熱光電裝置

通過微型燃燒器直接獲得熱能，或通過熱電或熱光電裝置直接轉(zhuǎn)換為電能是微尺度燃燒的另外幾個利用途徑。

2001年，美國南加州大學開發(fā)了二維和三維結(jié)構(gòu)的瑞士卷式微燃燒器[26]。瑞士卷式微燃燒器利用燃燒后氣體加熱反應(yīng)氣體，有效回收熱量提高能量利用率。此后南加州大學又開發(fā)了利用二維瑞士卷式微燃燒器的固體氧化物燃料電池[27]。

2005年，日本東北大學 MARUTA等開發(fā)了不同材料及尺寸的碟形瑞士卷式微燃燒器[28-29]，見圖8、圖9，并對其燃燒特性進行了實驗和數(shù)值研究，獲得了不同當量比條件下燃燒器穩(wěn)定工作的范圍。研究表明碟形瑞士卷式微燃燒器的最低效率高于60%，燃料混合物流速適中時其效率可以維持在70%左右。

清華大學鐘北京等[30-31]也對平板Swiss-roll燃燒器內(nèi)CH4/空氣預(yù)混氣燃燒特性進行了實驗研究，獲得了不同甲烷流量下燃燒器的熄火極限。

圖8 日本東北大學瑞士卷燃燒器[28]Fig.8 Disk-shaped Swiss-roll combustors for general purpose heat sources[28]

圖9 瑞士卷燃燒器內(nèi)火焰[5]Fig.9 Disk-shaped Swiss-roll combustors[5]

趙黛青等[32]提出并設(shè)計制造了一種基于壁面滲透燃燒的低熱損微燃燒裝置，如圖10所示。利用透過壁面的低溫未燃氣保護，該燃燒器可有效降低壁面溫度和熱損失，強化微燃燒裝置內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性，其火焰形態(tài)如圖11所示。

圖10 微尺度壁面滲透燃燒[32]Fig.10 Structure of the self-thermal miniature combustor[32]

圖11 微尺度壁面滲透燃燒器內(nèi)火焰[32]Fig.11 Image of flame in the self-thermal miniature combustor[32]

除了直接輸出熱能，微燃燒器還可以和熱電轉(zhuǎn)化原件組合構(gòu)成能夠直接輸出電流的微熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。周俊虎等[33]及鐘北京等[34]分別研制了采用H2和CH4為燃料的微型熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并對其工作特性進行了測試。趙黛青等[35-36]研制了一種以二甲醚為燃料的微熱電系統(tǒng)并獲得了2 W的電流輸出，相應(yīng)裝置如圖12所示。

圖12 基于平板微燃燒器的微型熱電轉(zhuǎn)換裝置[36]Fig.12 Micro thermoelectric power generation system integrated with plat-flame combustor[36]

微熱光電（micro thermophotovoltaic,MTPV）系統(tǒng)是利用光電轉(zhuǎn)換將熱輻射能（來自碳氫燃料燃燒）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奈⑿湍茉聪到y(tǒng)。新加坡國立大學楊文明等[37-38]研制了微熱光電系統(tǒng)，測試了系統(tǒng)的可行性并對相關(guān)微燃燒器設(shè)計進行了優(yōu)化[39]，相關(guān)工作的示意圖及系統(tǒng)分別如圖13和圖14所示。

圖13 微熱光伏轉(zhuǎn)換示意圖[39]Fig.13 Sketch of a micro cylindrical TPV power generator[39]

圖14 無冷卻片圓柱形微熱光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[39]Fig.14 A prototype micro cylindrical TPV power generator without cooling fins[39]

可以看到，基于燃燒的微型能源動力系統(tǒng)可以輸出熱量、功或者電流，有著廣闊的應(yīng)用前景和重要的民用及軍事意義。然而，參照常規(guī)能源動力系統(tǒng)按比例微小型化后的系統(tǒng)并沒有達到預(yù)期的性能目標，普遍存在運行穩(wěn)定性差和能量轉(zhuǎn)換效率低的問題。一方面是由于受到材料性能、機械加工、摩擦和密封等因素的制約，不僅造成整個系統(tǒng)的耐久性差，而且氣體泄露、壓力損失等嚴重影響了熱功轉(zhuǎn)換效率。另一方面，微燃燒室內(nèi)燃燒效率低和不穩(wěn)定也是制約系統(tǒng)能效提升的關(guān)鍵因素之一。通常微燃燒室的特征尺寸為毫米量級，比表面積比常規(guī)尺度的燃燒室增大近2～3個數(shù)量級。由于尺度的減小，一些在大尺度燃燒系統(tǒng)中可以忽略或并不占主導的因素，如點火過程、停留時間、壁面散熱、自由基壽命等，會對微燃燒過程產(chǎn)生顯著的影響，甚至導致一些特殊的微尺度燃燒現(xiàn)象發(fā)生。

為提高微型能源動力系統(tǒng)內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性和能量密度，國內(nèi)外學者開展了微尺度條件下燃燒特性的相關(guān)基礎(chǔ)研究，并逐步形成了較為完整的微尺度燃燒理論，為進一步推動微型能源動力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 微尺度燃燒的基礎(chǔ)研究

微尺度燃燒一般指當燃燒的特征尺寸接近火焰的熄火間距時發(fā)生的燃燒現(xiàn)象或過程[5-6]。過去十幾年，國內(nèi)外學者對微尺度火焰燃燒的特性展開了系統(tǒng)的研究。相關(guān)研究按照火焰的類型主要分為微尺度預(yù)混火焰和微尺度非預(yù)混火焰，其中微尺度預(yù)混火焰的研究較廣泛和全面。

2.1 微尺度預(yù)混火焰燃燒特性研究

NORTON等[40]采用二維數(shù)值計算研究了 CH4/air預(yù)混火焰在微通道內(nèi)的燃燒特性，探討燃燒器尺度、導熱系數(shù)、壁面材料、外部散熱等因素對燃燒特性及火焰穩(wěn)定性的影響，圖15給出了不同板間距下微火焰的火焰鋒面。研究表明微燃燒器內(nèi)可獲得穩(wěn)定燃燒的速度范圍較小，在強散熱條件下會出現(xiàn)周期性震蕩火焰。NORTON等[41]還對C3H8/air火焰在微通道內(nèi)的燃燒特性進行了研究，并給出了不同導熱條件下微火焰穩(wěn)定的速度范圍，結(jié)果如圖16所示。

圖15 不同板間距下微火焰鋒面反應(yīng)速率[40]Fig.15 Reaction rate of micro flame[40]

圖16 不同壁面導熱率下穩(wěn)定燃燒速度范圍[41]Fig.16 Critical velocity vs wall thermal conductivity[41]

MARUTA等[42]提出采用外部熱源加熱微尺度石英管來獲得穩(wěn)定的微尺度火焰的方法（圖17）。通過實驗測試給出了U型和直通石英管內(nèi)不同形態(tài)火焰存在的范圍。KIM等[43]通過實驗對管內(nèi)甲烷及丙烷的微尺度預(yù)混火焰可燃極限進行了研究，結(jié)果表明靠近可燃極限時，流動及傳熱機制對火焰質(zhì)量流量消耗率及火焰厚度有顯著影響。KIM等[44]隨后采用一步化學反應(yīng)機理對微管內(nèi)傳播進行了數(shù)值研究，數(shù)值計算對比了絕熱、等溫、壁面速度有無滑移條件下微尺度火焰的形態(tài)及傳播速度。

圖17 U 型微管內(nèi)火焰形態(tài)：（a）φ=1.2；（b）φ=1.3[42]Fig.17 Photograph of the flame in the U-shaped channel:(a) φ=1.2;(b) φ=1.3[42]

范愛武等[45]對有外部熱源的微型碟片燃燒器（圖18）內(nèi)的預(yù)混火焰燃燒特性進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明在不同流速及當量比下，微型碟片燃燒器內(nèi)可形成多種復雜的火焰形態(tài)，如圖19所示。MARUTA及 TSUBOI等[46-47]對具有加熱邊界微圓管內(nèi)CH4/air火焰響應(yīng)特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)當量比為1的預(yù)混氣體在不同流速條件下會有三種火焰響應(yīng)：常態(tài)火焰（normal flame）、快速著火熄滅火焰（flames with repetitive extinction and ignition,FREI）以及弱火焰（weak flame），結(jié)構(gòu)圖及火焰形態(tài)分別如圖20和圖21所示。

圖18 微型碟片燃燒器[45]Fig.18 Schematic diagram of the experimental setup[45]

圖19 微型碟片燃燒器內(nèi)火焰形態(tài)[45]Fig.19 Photos of various flame patterns observed in radial microchannels[45]

圖20 具有外部加熱的石英微圓管[47]Fig.20 Micro quartz tube with external heat source[47]

圖21 CH4/air混合物在微型反應(yīng)器內(nèi)三個來流速度下的火焰形態(tài)：（a）常態(tài)火焰（60 cm/s）；（b）動態(tài)火焰FREI（30 cm/s）；（c）弱火焰（1 cm/s）Fig.21 Flame images of CH4/air in the micro flow reactor: (a)normal flame (60 cm/s);(b) FREI (30 cm/s);(c) weak flame(1 cm/s)

蔣利橋等[48-50]在可視化圓盤狀狹縫式微型定容燃燒裝置上，分別對比考察了丙烷、丁烷等燃料預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕芯苛四軌颢@得穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑サ漠斄勘确秶▓D22）。實驗結(jié)果表明狹縫定容彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑（時間）增大逐漸衰減，其結(jié)果進一步驗證了大比表面積微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著降低的特性。微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕档?，使得微型動力裝置中燃燒組織困難。

圖22 不同間距下丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)（φ=1.2）[50]Fig.22 C3H8/air flame propagating in disk-like combustion chamber at different heights[50]

霍杰鵬等[51]對圓盤狹縫里的火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬（圖23），主要考察了不同狹縫高度（0.5～5 mm）下火焰的傳播特性。數(shù)值計算表明在封閉狹窄空間中，火焰面受壁面粘滯力作用會產(chǎn)生明顯形變和拉伸。拉伸的火焰面面積決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鹧婷姹焕斐潭仍酱?，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?。狹縫高度與火焰拉伸之間的對應(yīng)關(guān)系為非單調(diào)的，存在一個最優(yōu)的狹縫高度使火焰面被拉伸程度達到最大值，如圖24所示。

圖23 不同板間距下火焰鋒面反應(yīng)速率及速度分布[51]Fig.23 Reaction rate and velocity field of flames at different channel heights[51]

圖24 不同板間距下火焰?zhèn)鞑r間比較[51]Fig.24 Comparison of the total time consumptions for the process of flame propagation in the gaps of R=30 mm,17.5 mm and 10 mm[51]

PIZZA等[52]采用考慮詳細化學反應(yīng)機理的直接數(shù)值計算對 H2/air預(yù)混氣不同板間距下微尺度火焰燃燒特性進行了研究[52-53]，得到不同類型的火焰響應(yīng)，并給出了穩(wěn)定火焰存在的速度范圍，如圖25。SUZUKI等[54]對具有加熱壁面的微型石英燃燒器（圖26）內(nèi)CH4/air火焰燃燒特性進行實驗研究，結(jié)果表明可燃極限隨壁面間距減小而減小，隨壁面溫度增加而增加。SUZUKI等[55]采用OH-PLIF對微火焰內(nèi)OH分布進行測量，并探討了對火焰熄滅機理。

圖25 平板微通道內(nèi)（h=2 mm）不同流速下微火焰形態(tài)圖譜[53]Fig.25 Flame stability diagram for the h=2 mm channel[53]

圖26 石英材質(zhì)微型燃燒器[54]Fig.26 Micro quartz combustor[54]

除了對微尺度火焰形態(tài)及響應(yīng)特性的研究，許多學者提出了提高預(yù)混火焰在微小通道內(nèi)的穩(wěn)定性的方法。范愛武等[56]提出了在微通道平板燃燒器內(nèi)添加鈍體的方法（圖27）來提高火焰的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明在微通道平板燃燒器內(nèi)添加鈍體可以極大地提升 H2/air火焰的吹熄極限，同時還可獲得較高的燃燒效率。數(shù)值計算結(jié)果表明在鈍體后部形成的低速區(qū)域有利于火焰的穩(wěn)定。范愛武等[57]還對比了采用不同材料及不同鈍體形狀時 H2/air火焰在微型鈍體燃燒器的燃燒特性，并采用數(shù)值計算闡明了相關(guān)穩(wěn)燃機理。

圖27 具有鈍體的微型平板燃燒器[56]Fig.27 Micro combustor with a bluff body[56]

范愛武等[58]還提出了具有凹腔的微尺度平板燃燒器（圖28），研究表明增加凹腔結(jié)構(gòu)后CH4/air火焰在微燃燒器內(nèi)的吹熄極限是其層流火焰速度的數(shù)倍。數(shù)值計算表明在凹腔內(nèi)會形成回流區(qū)及低速區(qū)，同時壁面還存在回熱效應(yīng)，這些因素的共同作用導致了微尺度火焰吹熄極限的提升。

圖28 具有凹腔結(jié)構(gòu)的微尺度平板燃燒器[58]Fig.28 Micro combustor with a wall cavity[58]

除了采用鈍體及凹腔，還有學者提出了采用催化燃燒來提高微尺度火焰燃燒穩(wěn)定性的方法。MARUTA等[59]對鍍鉑微管內(nèi)CH4/air微尺度火焰燃燒特性進行了數(shù)值研究。VLACHOS等[60]采用實驗及數(shù)值計算對微通道內(nèi) C3H8/air催化燃燒進行了研究，其結(jié)果表明燃料的轉(zhuǎn)化率與氣體在燃燒器內(nèi)的滯留時間相關(guān)。LI等[61-62]研究了同時具有催化段和凹腔結(jié)合的微尺度燃燒器（圖29），結(jié)果表明催化段的反應(yīng)可以加強凹腔內(nèi)氣相反應(yīng)。

圖29 微尺度壁面滲透燃燒器內(nèi)火焰具有催化涂層和凹腔的微尺度燃燒器[62]Fig.29 Small-scale reactor with catalyst segmentation and cavities[62]

火焰與壁面間相互作用是影響微尺度火焰燃燒特性的一個重要因素。楊浩林等[63-66]采用 OH-PLIF測試技術(shù)研究了壁面材料及溫度對狹縫燃燒器內(nèi)微尺度火焰熄滅特性。實驗結(jié)果表明采用不銹鋼、硅、氧化鋯陶瓷壁面時，火焰的熄火間距依次減小，壁面材料對壁面附近的OH·濃度影響顯著。當壁面附近維持較高的OH·濃度時，火焰具有更高的穩(wěn)定性。通過對表面材料的物化分析，揭示了材料組分和晶體結(jié)構(gòu)對自由基吸附特性及火焰穩(wěn)定性的影響機制，部分測量結(jié)果如圖30所示。

SUZUKI等也開展了類似的實驗研究，對比了采用鉑、氧化鋁、鉻材料壁面時火焰內(nèi)OH·的分布特性[67]，并結(jié)合數(shù)值計算估算了不同壁面材料表面的吸附系數(shù)。范勇及SUZUKI等采用脈沖放電生成OH·，通過OH-PLIF測量研究了不同壁面材料條件下壁面的熱效應(yīng)及化學效應(yīng)[68]。研究表明壁面溫度低于500℃時熱效應(yīng)占據(jù)主導，當溫度較高時壁面化學效應(yīng)占主導。壁面溫度高于700℃時，由于吸附系數(shù)不同，石英壁面附近的OH·濃度低于氧化鋁壁面附近OH·的濃度，如圖31所示。

圖30 狹縫燃燒器內(nèi)火焰OH· 測量結(jié)果[66]Fig.30 OH· fluorescence intensity close to the wall[66]

圖31 不同壁面材料時無量綱OH· 濃度分布[68]Fig.31 Normalized OH· concentration at different walls[68]

陳正等[69]通過理論計算研究了自由基在壁面淬熄對管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀Y(jié)果表明隨著自由基劉易斯數(shù)（Lewis Number,Le）的減小，熱熄滅及自由基熄滅的影響增大，當自由基鏈分支反應(yīng)的溫度增加時壁面自由基淬熄的影響將減小。

趙黛青等[70-72]研究了壁面反應(yīng)對甲醇中低溫著火特性的影響，通過化學反應(yīng)動力學的路徑分析和敏感性分析，獲得了影響甲醇中低溫著火的關(guān)鍵自由基，并進一步完善了甲醇中低溫壁面反應(yīng)動力學機理。數(shù)值計算結(jié)果表明增大壁面吸附系數(shù)會顯著增加著火延遲時間。研究還進一步獲得了能快速計算甲醇著火延遲時間的顯式公式。

2.2 微尺度非預(yù)混火焰燃燒特性研究

與微尺度預(yù)混火焰不同，微尺度非預(yù)混火焰的研究主要是在開放空間內(nèi)完成。MATTA等[73]研究了靜止空氣中的丙烷（C3H8）微射流火焰，實驗得到了火焰高度隨流量的變化規(guī)律（圖32）及不同管徑時微火焰的熄滅及吹熄極限。CHAO等[74]對靜止空氣中的甲烷（CH4）非預(yù)混微射流火焰燃燒特性進行了實驗及數(shù)值研究，獲得了不同管徑條件下不同燃料流量時火焰形態(tài)、高度及熄滅流量（維持火焰的最小燃料流量），如圖33所示。NAKAMURA等[75]采用一步化學反應(yīng)機理對靜止空氣中CH4非預(yù)混微射流火焰的熄滅特性進行了數(shù)值研究，得到了不同管徑時定壁溫和絕熱壁面下的火焰熄滅極限，結(jié)果如圖34所示。NAKAMURA

圖32 色彩經(jīng)過處理后C3H8微射流火焰形態(tài)照片[73]Fig.32 False-color images of C3H8 micro-jet flames supported on a micro nozzle[73]

圖33 不同管徑時接近熄滅極限時火焰形態(tài)照片[74]Fig.33 Photographs of flames just above quenching limit for different tube diameters[74]

等[76]通過實驗研究了壁面材料及空氣溫度對CH4微射流火焰熄滅特性的影響，結(jié)果表明高導熱系數(shù)材料會提高火焰的熄滅極限流量（圖35），而提高預(yù)熱空氣溫度可有效降低火焰的熄滅極限流量（圖36）。

圖34 絕熱和常溫壁面條件熄滅流速與管徑關(guān)系[75]Fig.34 Extinction-limit curve predicted by one-step reaction model with cooled and adiabatic wall conditions[75]

圖35 最小燃料流量與噴管材料導熱率關(guān)系（Tair=298 K）[76]Fig.35 Relationship between minimum fuel flow rate and thermal conductivity of burner wall (Tair=293 K)[76]

圖36 最小燃料流量與助燃空氣溫度的關(guān)系[76]Fig.36 Relationship between the limiting value of fuel flow rate and the imposed preheated-air temperature[76]

CHENG等[77]采用詳細化學反應(yīng)機理對近熄滅極限的CH4微射流火焰結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定機理進行了數(shù)值研究。計算結(jié)果表明，靠近熄滅極限時，火焰和噴管間存在一段距離，燃料與氧化劑在這一區(qū)域內(nèi)發(fā)生了混合。甘云華等[78]對自蒸發(fā)乙醇微射流火焰進行了實驗及數(shù)值研究，得到了不同燃料流量下的火焰高度，分析了自由空間及受限空間兩種條件對微射流火焰燃燒特性的影響。

本研究室的趙黛青等早期也對非預(yù)混微射流火焰進行了實驗及數(shù)值研究，對火焰結(jié)構(gòu)、管徑的影響等問題進行了一系列探討，揭示了雙層火焰面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)燃特性[79-82]。近期，本研究室采用 OH-PLIF測試技術(shù)以及考慮火焰與管壁間熱耦合效應(yīng)的數(shù)值計算，對甲烷非預(yù)混微射流火焰燃燒特性進行了研究[83-85]。結(jié)果顯示，隨著燃料流速降低，CH4微射流火焰會出現(xiàn)四種典型的火焰形態(tài)：層流推舉火焰、定置火焰、半球形火焰和傘狀火焰（圖37）。數(shù)值計算得到的溫度分布表明火焰和微管間存在顯著的熱耦合效應(yīng)（圖38），該效應(yīng)對火焰的作用取決于火焰的形態(tài)。對于定置火焰和半球火焰，火焰主要加熱外壁面和端面，管內(nèi)燃料則通過內(nèi)壁面吸收火焰熱量，因此，火焰和微管的耦合效應(yīng)對火焰燃燒有促進作用；對于傘狀火焰，火焰主要通過端面加熱微管，微管吸收的熱量通過內(nèi)外兩個壁面散失，這時火焰和管壁間熱耦合對火焰燃燒的正負作用同時存在。

高健等[86]采用二維數(shù)值計算研究了不同壁面導熱系數(shù)及壁厚條件下CH4微射流火焰和微管間熱耦合效應(yīng)。結(jié)果表明，回流熱量和散失熱量的比例隨著燃料射流速度的增大而不斷增加，并且存在一個臨界速度使得熱回流和熱損失達到平衡，而臨界速度由壁面導熱系數(shù)及厚度決定。

圖37 不同流速下典型火焰形態(tài)[85]Fig.37 Direct images of micro-jet flames at different fuel flow velocities[85]

圖38 不同流速下管內(nèi)固體溫度分布：（a）5 m/s；（b）2.5 m/s；（c）1.2 m/s；（d）0.8 m/s[85]Fig.38 Computational temperature distributions of solid tube at different fuel flow velocities: (a) 5 m/s;(b) 2.5 m/s;(c) 1.2 m/s;(d) 0.8 m/s[85]

CHENG等[87]采用紫外拉曼散射及激光誘導熒光技術(shù)測量了H2非預(yù)混微射流火焰內(nèi)重要組分及自由基的分布。SUNDERLAND等[88]對倒置微射流火焰燃燒特性進行了實驗研究（圖39），發(fā)現(xiàn)在空氣和 O2中可分別獲得最小理論燃燒功率為 0.46 W和0.25 W的微火焰。

圖39 在空氣（左）及O2（右）中靠近熄滅極限H2微火焰照片[88]Fig.39 Images of hydrogen jet flames near their quenching limits in air (left) and in O2(right)[88]

HOSSAIN等[89]采用數(shù)值計算研究了H2微火焰燃燒特性，其數(shù)值研究采用了詳細化學反應(yīng)機理并考慮了火焰和管壁間熱耦合效應(yīng)。數(shù)值計算結(jié)果表明微管的出口部分被火焰加熱，火焰的熱量可以傳遞到燃料，因此可以增強火焰內(nèi)的化學反應(yīng)。

高健等[90]對H2微射流火焰進行了數(shù)值研究，計算結(jié)果表明H2微火焰根部會一直附著在微管壁面。詳細的分析表明，H+O2+M → HO2+M 這一基元反應(yīng)對于火焰根部反應(yīng)活性具有重要影響，同時該反應(yīng)具有負溫度依賴效應(yīng)，因此會造成火焰根部放熱率隨溫度降低而增大。

圖40 不同流速下 H2微射流火焰照片：（a）10 m/s；（b）5 m/s；（c）2.5 m/s；（d）1 m/s[92]Fig.40 Flame images of hydrogen micro-jet flames at different fuel velocities: (a) 10 m/s;(b) 5 m/s;(c) 2.5 m/s;(d) 1 m/s[92]

圖41 不同流速下H2微射流火焰OH-PLIF圖像[92]Fig.41 OH-PLIF images of hydrogen micro-jet flames at different fuel flow velocities[92]

本研究室張京等[91-92]也對H2微射流火焰的燃燒特性進行了實驗（圖40）及數(shù)值研究（圖41），獲得了不同H2流量下的火焰形態(tài)、OH·分布、火焰結(jié)構(gòu)等特性。結(jié)果表明，由于H2的密度較小而擴散及燃燒速度較快，O2可穿過反應(yīng)區(qū)到達管口附近，當微管的管徑較大時火焰會向管口靠近，因此在靠近熄滅極限時H2微火焰與微管間的熱耦合效應(yīng)不同于CH4微火焰。本研究室還采用OH-PLIF對H2微射流火焰熄滅特性進行了測量，同時借助考慮詳細化學反應(yīng)機理的數(shù)值計算系統(tǒng)地分析了H2微射流火焰熄滅機理。

3 總結(jié)與展望

基于燃燒的微型能源動力系統(tǒng)可以直接輸出功、熱量或電流，理論上具有體積小、續(xù)航時間長等具有諸多優(yōu)勢。然而由于微尺度條件下點火、穩(wěn)燃、材料適應(yīng)性、密封及潤滑等技術(shù)壁壘，真正獲得高效、高功率輸出的微型能源動力系統(tǒng)還需要熱工、化學、材料、流動等基礎(chǔ)科學問題以及相關(guān)技術(shù)的共同探索和進步?；谖⒊叨葪l件下相關(guān)學科的交叉研究，目前已對微尺度下火焰形態(tài)及動態(tài)特性、壁面材料與微尺度火焰間耦合機制及壁面化學反應(yīng)、多模態(tài)多參數(shù)的調(diào)控和利用機制等科學問題已經(jīng)有了一定的認識，但遠未成熟。由此帶來了很多設(shè)計和應(yīng)用上的難題需要攻克和解決。毫米級別的燃燒器是否是極限？如何更好地在微尺度條件下克服燃料的著火能壘？如何構(gòu)建最優(yōu)化的設(shè)計理論體系，實現(xiàn)燃燒及其附屬設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作？實驗室級別的理論研究如何更好更高效地應(yīng)用于實際？微尺度燃燒系統(tǒng)不僅僅是常規(guī)尺度系統(tǒng)的簡單縮小，其設(shè)計或許需要遵循自身的準則和方法。

雖然存在種種困難及挑戰(zhàn)，但對微型動力裝置的廣泛需求及微尺度燃燒展現(xiàn)的廣闊前景依然鼓舞眾多學者不斷探索及前行。可以預(yù)測隨著人類綜合科技實力的提升，微尺度燃燒的認知將更加系統(tǒng)全面，真正穩(wěn)定高效的微型燃燒能源動力裝置將會實現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。