微尺度下气相/表面反应的耦合机理及燃烧的稳定性研究

Microscale combustion is a research hotspot, and it is widely used in micro power generation systems. The surface reaction can be effectively enhanced by the increment of the surface to volume ratio resulted from the size reduction，in view of this, the combustion mode of micro catalytic combustion has been proposed to improve combustion efficiency and expand the flammable range. Unfortunately, our current limited understanding of micro catalytic combustion also forms a barrier to optimise combustion and develop new clean micro-combustor. In particular, the interaction between homogeneous and heterogeneous reactions is confused. The present project considers coupling mechanism of homogeneous and heterogeneous reactions as a generic combustion problem and combines theoretical, numerical and experimental approaches to conduct a systematical and comprehensive study. Through the research of this project, the effects of heat, free radicals and species transport on homogeneous and heterogeneous reactions will be clarified. The occurrence conditions and principal-subordinate relationship of homogeneous and heterogeneous reactions will be quantitatively investigated. The homogeneous flame propagation characteristics and flammable limits when using catalyst will be obtained. The differences of microscale catalytic combustion and conventional catalytic combustion will be investigated. The detailed kinetic mechanism model including surface catalytic reaction and gas phase mechanisms will be developed. New micro catalytic combustor will be designed and optimized. The innovations are also shown in micro-scale test technology and the test method of combustion characteristics parameters. It is expected that essential theoretical and technical developments of microscale catalytic combustion can be achieved by the implementation of this project.

微尺度燃烧广泛应用于微型能源系统，是国际燃烧界的研究热点之一。鉴于尺寸缩小引起的面容比增加能有效增强表面反应的效果，一些学者提出了在微燃烧室内增设催化反应面来提高燃烧效率和拓展可燃范围,但迄今对微催化燃烧的认识还很不足，尤其对表面/气相反应的相互耦合作用感到困惑。本项目将微尺度下氢气和甲烷等燃料的气相/表面反应耦合机理作为基础的科学问题，用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法进行系统深入的研究。通过本项目的研究，将弄清热量、自由基和组分输运等因素在表面/气相反应耦合过程中的作用，定量总结出表面反应和气相反应的发生条件及主辅关系，得到催化作用下火焰的传播特性和尺度极限，明确微尺度催化燃烧与普通催化燃烧的差异，获得详细的表面/气相耦合反应动力学机理模型，优化出新型微催化燃烧室，并将在微小尺度的测试技术和燃烧特征参数的测量方法上有创新。本项目的实施对微催化燃烧理论和技术的发展具有重要意义。

微尺度燃烧广泛应用于微型能源系统，是国际燃烧界的研究热点之一。鉴于尺寸缩小引起的面容比增加能有效增强表面反应的效果，一些学者提出了在微燃烧室内增设催化反应面来提高燃烧效率和拓展可燃范围,但迄今对微催化燃烧的认识还很不足，尤其对表面/气相反应的相互耦合作用感到困惑。本项目将微尺度下氢气和甲烷等燃料的气相/表面反应耦合机理作为基础的科学问题，用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法进行系统深入的研究。该项目对微尺度催化燃烧的燃烧特性进行了测量和分析，获得了燃烧室内预混合火焰传播规律、火焰稳定性和燃烧极限等基础数据，找出了影响微尺度催化燃烧过程的各个关键因素及影响规律。基于实验验证，建立相关数学模型，详细分析微催化燃烧室中各化学反应过程的温度场、流场、组分浓度场、热量传递的变化规律，得到了微尺度条件下催化燃烧过程表面催化反应对气相反应的作用路径。通过对详细机理的简化，获得适用于微尺度燃烧的反应机理。该项目的重要成果包括：定量总结出了表面反应和气相反应的发生条件及主辅关系，得到了催化作用下火焰的传播特性和尺度极限，明确了微尺度催化燃烧与普通催化燃烧的差异，建立了详细的表面/气相耦合反应动力学机理模型，且在微小尺度的测试技术和燃烧特征参数的测量方法上有所创新。项目已在国内外重要期刊发表论文27篇，其中SCI论文15篇，EI论文6篇，出版专著1部，授权发明专利5项，培养博士生5人，硕士生13人。