壁面正交各向热异性对微小型预混燃烧器稳燃性能及火焰传播特性的影响

Flame stability is a key issue in the area of micro-combustion, which currently inhibits this technology from being commercially viable. Past studies in literature have proposed some means to improve flame stabilities, including changing the combustor’s structure, exerting external electric fields, using catalytic combustion, adjusting the fuel’s composition etc.. We have proposed another method, from the aspect of the thermal properties of the combustor itself, to use thermally orthotropic materials as the combustor walls. This method could enhance the preheating of the incoming mixture as well as decrease the transverse heat losses to the ambient, thereby improving the flame stability. In this project, we will perform further works both experimentally and numerically based on our preliminary studies, in order to comprehensively and quantitatively investigate the effects of thermally orthotropic walls on premixed flame stabilities (in terms of the flame stability limits and the resistance to heat losses to the ambient) and propagation behaviors (in terms of the flame stretching and flame propagation speed). Strategies of the optimal design will also be proposed. This study will hopefully enrich the theory of micro-combustion, as well as provide a guideline for the design of the small-scale combustors with thermally orthotropic walls, and such combustors in combination with other flame stabilization methods.

火焰的稳定性是微尺度燃烧领域的重要问题，制约着该技术未来的商业化应用。文献中已提出一些改善微小型燃烧器稳燃性能的方法：包括改变燃烧器结构、内充多孔介质、外加辅助电场、使用催化燃烧、以及调整燃料组分等方式。申请人从另一个角度——燃烧器本身的热物理性质——着手，提出使用正交各向热异性壁面材料的方法来增大燃烧器对未燃气体的预热及降低表面热损失，以提升燃烧器的稳燃性能。本项目拟在申请人前期工作的基础上，使用实验与数值模拟的方法，进一步全面定量地研究壁面正交各向热异性对微小型预混燃烧器稳燃性能（稳燃极限范围与对外界环境热损失的抵抗力）及火焰传播特性（火焰拉伸形态与传播速度）的影响机理，并提出优化控制稳燃性能的策略。研究成果以期能够丰富微尺度燃烧的理论体系，为这种使用正交各向热异性壁面类型的燃烧器，以及将来在此技术基础上结合其它稳燃技术的燃烧器设计提供理论指导。

火焰的稳定性是微尺度燃烧领域的重要问题，制约着该技术未来的商业化应用。以往研究中已提出一些改善微小型燃烧器稳燃性能的方法：包括改变燃烧器结构、内充多孔介质、外加辅助电场、使用催化燃烧、以及调整燃料组分等方式。本项目从另一个角度——燃烧器本身的热物理性质——着手，提出使用正交各向热异性壁面材料的方法来增大燃烧器对未燃气体的预热及降低表面热损失，以提升燃烧器的稳燃性能。在此研究中，项目团队使用实验与数值模拟的方法，全面研究了壁面正交各向热异性对不同燃料/氧化剂体系（氢气/空气、甲烷/空气、丙烷/空气）的微小型预混燃烧器的稳燃性能及火焰传播特性的影响。研究发现，调整各向热异性材料的轴向热导率对燃烧器稳燃极限的影响程度远远大于法向热导率。三个体系在保持法向热导率不变的情况下提升轴向热导率均能达到更大的高速稳燃极限。而维持轴向热导率不变的同时减小法向热导率，甲烷/空气与丙烷/空气体系在更小的热损失效应下获得了更大的高速稳燃极限；但氢气/空气体系的壁面预热作用由于受到一定程度的限制，呈现出相反的特征。另一方面，燃烧器壁面热导率的改变对各燃料/空气体系的低速稳燃极限影响比较有限。总体来说，各向热异性壁面材料的使用提高了外壁面临界对流换热系数，从而可以有效增强燃烧器对外界热损失的抵抗力。但相较于氢气/空气体系，正交各向热异性壁面材料更适用于甲烷/空气与丙烷/空气体系，对提升两者火焰稳定性的帮助更为显著。这些研究成果丰富了微尺度燃烧的理论体系，可以为这种使用正交各向热异性壁面类型的燃烧器，以及将来在此技术基础上结合其它稳燃技术的燃烧器设计提供理论指导。