微通道液体燃料荷电雾化、气化及燃烧机理研究

Liquid fuel is very hard to be evaporated, gasified and combusted completely in the micro scale combustion system due to very small Reynolds number and very low evaporation and mixing velocity. Thus, a new microchannel combustor was designed with needle electrode, ring electrode, liquid drop collector and combustion mesh collector to divide the whole process into three stages, electrospray atomization stage, evaporation and gasification stage, and combustion stage, and to improve the flame stability and combustion completeness. Based on this new design and idea, the effect of electric field on atomization process will be studied. And the charged gas liquid two phase flow model will be put forward. The relationship of microchannel structure design, electric field characteristics and atomization condition will be investigated. A one dimension evaporation model will be deduced under the effect of charged liquid, movements, physical parameters and liquid group. The stable combustion conditions, flameout mechanism, combustion field and combustion products characteristics all will be researched. A new method will be concluded that using the simple electric field control to accomplish the complex combustion control, which will enhance the intersection and integration of different disciplines, such as combustion and electricity.

微尺度液体燃料燃烧系统中，雷诺数一般很低，液体蒸发和混合速率通常很慢，难以实现充分蒸发气化、燃烧。为此，申请者设计了新型结构的微通道燃烧器，采用针形、环形组合电极及液滴收集、燃烧双格栅结构，促进微通道液体燃料的荷电雾化、蒸发气化、燃烧趋于分阶段进行，实现稳定与充分燃烧。基于该创新设计和思想，研究电场对微通道液体雾化过程的影响机理，建立考虑电场力作用下雾化过程的荷电气液两相流动模型，明确微通道结构设计、电场特性与雾化效果之间影响关系。考查荷电、液滴运动、物性参数以及液滴群等对蒸发气化过程的影响，提出单液滴一维蒸发模型。探索蒸发气化稳定燃烧条件与熄火机理，分析燃烧场及燃烧产物特性。提出采用简单的电场控制来实现复杂的燃烧控制的新方法，促进燃烧学与电学等学科的交叉与融合。

微尺度下，液体燃料难以充分雾化与燃烧。设计了几种微通道荷电喷雾燃烧器，促进液体荷电雾化、蒸发气化、燃烧分阶段进行，主要结论如下：. （1）研究了电场对微通道液体雾化过程的影响机理。基于可视化实验，鉴别出四种典型的雾化模式为：“脉动喷雾”，“锥-射流喷雾”，“偏移射流喷雾”和“多股射流喷雾”，并测量了不同模式下的荷质比，“锥-射流”模式下的Taylor锥角。并基于PDA实验，得出了荷电液滴的粒径及运动速度分布。. （2）考虑电场力作用，建立荷电流体两相流模型，得出了射流区和雾化区的场强和速度场。建立了乙醇荷电雾化锥-射流模式下的力学模型，求解了半锥角。基于无量纲分析，得出了稳定锥射流模式下雾化电流和液滴直径的标度率方程。阐明了燃烧器结构设计、外加电场与雾化效果之间的依赖关系。. （3）对乙醇单液滴的蒸发过程进行了分析，建立了单液滴一维蒸发模型，求解了液滴的蒸发速率和蒸发寿命，鉴别了影响蒸发的因素。. （4）探索了稳定燃烧条件与熄火机理，分析了燃烧产物特性与燃烧效率。通过对比研究了单电极与组合电极燃烧器内乙醇的燃烧特性，结果表明双电极结构下火焰稳燃范围较宽，发现了外加电场对稳定燃烧的重要作用。燃烧器壁面热损失均在当量比=1.0时达到最大值，热熄火也是其重要机制。采用组合电极燃烧器时，CO浓度较低，燃烧效率较高。. （5）提出了采用简单的电场控制来实现复杂燃烧控制的新方法。实验研究了不同电场下的乙醇小尺度扩散火焰的V-A特性，并将乙醇燃烧系统等效成电路模型，根据电路理论得到火焰等效电阻变化规律。将产生的离子电流作为被调量，运用PID闭环控制，实现了对微小火焰的控制。. 发表国际期刊论文13篇，被SCI检索13篇；发表国内期刊论文13篇，被EI检索12篇；申请国际PCT专利1项，获授权发明专利2项、实用新型专利5项；培养博士生1名、硕士生7名；参加了第36届国际燃烧大会并作口头报告，任国际会议分会主席2次，作国际会议Keynote学术报告1次。