李 星，楊浩林，蔣利橋，趙黛青?，汪小憨?

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子與機(jī)械產(chǎn)品的微型化和便攜化成為當(dāng)今發(fā)展的主流趨勢(shì)。微電腦、便攜式檢測(cè)儀器、無(wú)人值守野外設(shè)備、緊急備用電源和微型機(jī)器人等這些微機(jī)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(biāo)志和推動(dòng)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(guò)去20年中，隨著便攜式機(jī)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(méi)有大幅度提升，難以給用戶提供理想的連續(xù)工作時(shí)間。顯然，采用先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)乃至微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system,MEMS）技術(shù)，能夠把電子或機(jī)械產(chǎn)品做到微型化，但供能部件（如電池）卻成為整個(gè)系統(tǒng)中最笨重的單元，制約了產(chǎn)品微型化的實(shí)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(zhǎng)壽命的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)。

另一方面，在國(guó)防及國(guó)家安全事務(wù)方面，目前正大力發(fā)展微型無(wú)人機(jī)、野外便攜式電源和單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等先進(jìn)國(guó)防裝備，這些裝備的最大特點(diǎn)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(guó)國(guó)防部預(yù)研計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“微星”飛行器采用電池和電機(jī)螺旋槳組成動(dòng)力系統(tǒng)，飛行器總重約100 g，其中推進(jìn)裝置重20 g，電池重達(dá)45 g，整個(gè)動(dòng)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(shí)間仍僅有10 min左右，無(wú)法達(dá)到國(guó)防裝備起碼的設(shè)計(jì)需求。因此，高能量密度、連續(xù)供能時(shí)間長(zhǎng)的微型能源動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)顯示，高效微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)和制造能力已成為影響國(guó)家國(guó)防裝備競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)科技制高點(diǎn)。由于碳?xì)淙剂暇哂休^高的能量密度，可以提供較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。因此，許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)部署和開(kāi)展了基于燃燒的可用于提供動(dòng)能和電能的微型能源動(dòng)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(dòng)力裝置

1.1 微燃燒能源動(dòng)力裝置

二十世紀(jì)九十年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了基于MEMS技術(shù)的微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jì)轉(zhuǎn)速2.4 × 106r/min，設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)了6層結(jié)構(gòu)的微型燃?xì)廨啓C(jī)[10]，如圖2。這一研究提出了開(kāi)發(fā)基于燃料燃燒的高能量密度微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的新思路。據(jù)分析，典型碳?xì)淙剂系哪芰棵芏燃s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(dòng)力系統(tǒng)的能效僅有10%，其供能時(shí)間也可以比充電電池提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且燃料補(bǔ)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(guó)之后，日本和歐洲分別也提出了類似的微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)[11]。我國(guó)率先開(kāi)展相關(guān)微型動(dòng)力系統(tǒng)工作的單位有中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所[12]、江蘇大學(xué)[13]、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等。為保證系統(tǒng)能效，微型燃?xì)廨啓C(jī)要求在100萬(wàn)～ 200萬(wàn)r/min的超高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，要求軸承具有極高的耐溫、耐磨性能，對(duì)材料和工藝的要求極為苛刻，目前無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間的有效運(yùn)行。

在微型燃?xì)廨啓C(jī)以外，美國(guó)和日本開(kāi)展了微型斯特林機(jī)的研究，功率為 25～100 W[14-15]，斯特林機(jī)雖然有連續(xù)燃燒的優(yōu)點(diǎn)，但傳熱學(xué)分析認(rèn)為其效率與尺寸成正比關(guān)系，不適合微型化。

美國(guó)加州大學(xué)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(dòng)機(jī)[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(yán)重的泄漏與磨損問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)微型汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能進(jìn)行了數(shù)值研究[17]。北京工業(yè)大學(xué)研制了轉(zhuǎn)速 7 800 r/min，功率 220 W 的小型汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)[18]。

圖3 微型汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)[16]Fig.3 Micro rotary engines[16]

為了克服汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損和泄漏問(wèn)題，美國(guó)哈利威爾公司和明尼蘇達(dá)大學(xué)合作研究了基于均質(zhì)壓燃的自由活塞爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[19]，如圖4所示。佐治亞理工學(xué)院將電機(jī)的永磁體集成到活塞中，研制了鐵磁自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[20]和雙活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這些都屬于線性活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)輸出功率數(shù)十瓦，但未公布相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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

為充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)空間，提高能量密度，密西根大學(xué)提出了兩臂擺動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)[21]，其設(shè)計(jì)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(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所[22]、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究[23]及南京航空航天大學(xué)在“973”項(xiàng)目的支持下設(shè)計(jì)研制了微型發(fā)動(dòng)機(jī)并對(duì)其工作特性進(jìn)行了研究，樣機(jī)如圖5所示。最新的實(shí)驗(yàn)表明一種采用丁烷為燃料的微型發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的指示功率接近百瓦，指示熱效率達(dá)到5%左右；另一種采用甲烷為燃料的微型發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的單缸指示功率達(dá)到百瓦以上，指示熱效率超過(guò)10%，該研究成果領(lǐng)先于目前報(bào)道的同類尺度微型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖5 具有4個(gè)燃燒腔的微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)[22]Fig.5 Mesoscale internal combustion swing engine (MICSE)with four combustion chambers[22]

1.2 微燃燒推進(jìn)器

用于微小型軍事設(shè)備推進(jìn)和姿態(tài)調(diào)整微型推力裝置是微尺度燃燒的另一個(gè)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(diǎn)，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(jià)小衛(wèi)星既可用于快速完成單項(xiàng)任務(wù)，又能與其他小衛(wèi)星組成衛(wèi)星群，完成復(fù)雜任務(wù)。

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

圖7 微小衛(wèi)星推動(dòng)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(jì)制造了一種微型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其推動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)約長(zhǎng) 15 mm、寬 12 mm、厚 2.5 mm。設(shè)計(jì)采用液態(tài)氧和乙醇作燃料，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中，得到了1 N的推力，推力功率為750 W，推力重量比達(dá)到85∶1。

1.3 微燃燒器、微熱電及微熱光電裝置

通過(guò)微型燃燒器直接獲得熱能，或通過(guò)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(gè)利用途徑。

2001年，美國(guó)南加州大學(xué)開(kāi)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(xué)又開(kāi)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(xué) MARUTA等開(kāi)發(fā)了不同材料及尺寸的碟形瑞士卷式微燃燒器[28-29]，見(jiàn)圖8、圖9，并對(duì)其燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，獲得了不同當(dāng)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(shí)其效率可以維持在70%左右。

清華大學(xué)鐘北京等[30-31]也對(duì)平板Swiss-roll燃燒器內(nèi)CH4/空氣預(yù)混氣燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xué)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(jì)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(guò)壁面的低溫未燃?xì)獗Ｗo(hù)，該燃燒器可有效降低壁面溫度和熱損失，強(qiáng)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(duì)其工作特性進(jìn)行了測(cè)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(lái)自碳?xì)淙剂先紵┺D(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奈⑿湍茉聪到y(tǒng)。新加坡國(guó)立大學(xué)楊文明等[37-38]研制了微熱光電系統(tǒng)，測(cè)試了系統(tǒng)的可行性并對(duì)相關(guān)微燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)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(wú)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)按比例微小型化后的系統(tǒng)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，普遍存在運(yùn)行穩(wěn)定性差和能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。一方面是由于受到材料性能、機(jī)械加工、摩擦和密封等因素的制約，不僅造成整個(gè)系統(tǒng)的耐久性差，而且氣體泄露、壓力損失等嚴(yán)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(jí)，比表面積比常規(guī)尺度的燃燒室增大近2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。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(dǎo)的因素，如點(diǎn)火過(guò)程、停留時(shí)間、壁面散熱、自由基壽命等，會(huì)對(duì)微燃燒過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響，甚至導(dǎo)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(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性和能量密度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)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(jìn)一步推動(dòng)微型能源動(dòng)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(dāng)燃燒的特征尺寸接近火焰的熄火間距時(shí)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象或過(guò)程[5-6]。過(guò)去十幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微尺度火焰燃燒的特性展開(kāi)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(jì)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(dǎo)熱系數(shù)、壁面材料、外部散熱等因素對(duì)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(qiáng)散熱條件下會(huì)出現(xiàn)周期性震蕩火焰。NORTON等[41]還對(duì)C3H8/air火焰在微通道內(nèi)的燃燒特性進(jìn)行了研究，并給出了不同導(dǎo)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(dǎo)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(lái)獲得穩(wěn)定的微尺度火焰的方法（圖17）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)管內(nèi)甲烷及丙烷的微尺度預(yù)混火焰可燃極限進(jìn)行了研究，結(jié)果表明靠近可燃極限時(shí)，流動(dòng)及傳熱機(jī)制對(duì)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(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)微管內(nèi)傳播進(jìn)行了數(shù)值研究，數(shù)值計(jì)算對(duì)比了絕熱、等溫、壁面速度有無(wú)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(ài)武等[45]對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同流速及當(dāng)量比下，微型碟片燃燒器內(nèi)可形成多種復(fù)雜的火焰形態(tài)，如圖19所示。MARUTA及 TSUBOI等[46-47]對(duì)具有加熱邊界微圓管內(nèi)CH4/air火焰響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比為1的預(yù)混氣體在不同流速條件下會(huì)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(gè)來(lái)流速度下的火焰形態(tài)：（a）常態(tài)火焰（60 cm/s）；（b）動(dòng)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(duì)比考察了丙烷、丁烷等燃料預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，研究了能夠獲得穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑サ漠?dāng)量比范圍（圖22）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明狹縫定容彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑（時(shí)間）增大逐漸衰減，其結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)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?dòng)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(duì)圓盤狹縫里的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)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(jì)算表明在封閉狹窄空間中，火焰面受壁面粘滯力作用會(huì)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)鞑ニ俣仍酱蟆＊M縫高度與火焰拉伸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為非單調(diào)的，存在一個(gè)最優(yōu)的狹縫高度使火焰面被拉伸程度達(dá)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(shí)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(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的直接數(shù)值計(jì)算對(duì) H2/air預(yù)混氣不同板間距下微尺度火焰燃燒特性進(jìn)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(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(duì)微火焰內(nèi)OH分布進(jìn)行測(cè)量，并探討了對(duì)火焰熄滅機(jī)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(duì)微尺度火焰形態(tài)及響應(yīng)特性的研究，許多學(xué)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(ài)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(lái)提高火焰的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)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(shí)還可獲得較高的燃燒效率。數(shù)值計(jì)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(ài)武等[57]還對(duì)比了采用不同材料及不同鈍體形狀時(shí) H2/air火焰在微型鈍體燃燒器的燃燒特性，并采用數(shù)值計(jì)算闡明了相關(guān)穩(wěn)燃機(jī)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(ài)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(jì)算表明在凹腔內(nèi)會(huì)形成回流區(qū)及低速區(qū)，同時(shí)壁面還存在回?zé)嵝?yīng)，這些因素的共同作用導(dǎo)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(xué)者提出了采用催化燃燒來(lái)提高微尺度火焰燃燒穩(wěn)定性的方法。MARUTA等[59]對(duì)鍍鉑微管內(nèi)CH4/air微尺度火焰燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值研究。VLACHOS等[60]采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算對(duì)微通道內(nèi) C3H8/air催化燃燒進(jìn)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(shí)間相關(guān)。LI等[61-62]研究了同時(shí)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(qiáng)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(gè)重要因素。楊浩林等[63-66]采用 OH-PLIF測(cè)試技術(shù)研究了壁面材料及溫度對(duì)狹縫燃燒器內(nèi)微尺度火焰熄滅特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用不銹鋼、硅、氧化鋯陶瓷壁面時(shí)，火焰的熄火間距依次減小，壁面材料對(duì)壁面附近的OH·濃度影響顯著。當(dāng)壁面附近維持較高的OH·濃度時(shí)，火焰具有更高的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)表面材料的物化分析，揭示了材料組分和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)自由基吸附特性及火焰穩(wěn)定性的影響機(jī)制，部分測(cè)量結(jié)果如圖30所示。

SUZUKI等也開(kāi)展了類似的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了采用鉑、氧化鋁、鉻材料壁面時(shí)火焰內(nèi)OH·的分布特性[67]，并結(jié)合數(shù)值計(jì)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(guò)OH-PLIF測(cè)量研究了不同壁面材料條件下壁面的熱效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)[68]。研究表明壁面溫度低于500℃時(shí)熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，當(dāng)溫度較高時(shí)壁面化學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)。壁面溫度高于700℃時(shí)，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(cè)量結(jié)果[66]Fig.30 OH· fluorescence intensity close to the wall[66]

圖31 不同壁面材料時(shí)無(wú)量綱OH· 濃度分布[68]Fig.31 Normalized OH· concentration at different walls[68]

陳正等[69]通過(guò)理論計(jì)算研究了自由基在壁面淬熄對(duì)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(dāng)自由基鏈分支反應(yīng)的溫度增加時(shí)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(duì)甲醇中低溫著火特性的影響，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(jìn)一步完善了甲醇中低溫壁面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明增大壁面吸附系數(shù)會(huì)顯著增加著火延遲時(shí)間。研究還進(jìn)一步獲得了能快速計(jì)算甲醇著火延遲時(shí)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(kāi)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(shí)驗(yàn)得到了火焰高度隨流量的變化規(guī)律（圖32）及不同管徑時(shí)微火焰的熄滅及吹熄極限。CHAO等[74]對(duì)靜止空氣中的甲烷（CH4）非預(yù)混微射流火焰燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究，獲得了不同管徑條件下不同燃料流量時(shí)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(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)靜止空氣中CH4非預(yù)混微射流火焰的熄滅特性進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了不同管徑時(shí)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(guò)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(shí)接近熄滅極限時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了壁面材料及空氣溫度對(duì)CH4微射流火焰熄滅特性的影響，結(jié)果表明高導(dǎo)熱系數(shù)材料會(huì)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(dǎo)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(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)近熄滅極限的CH4微射流火焰結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究。計(jì)算結(jié)果表明，靠近熄滅極限時(shí)，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(duì)自蒸發(fā)乙醇微射流火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)非預(yù)混微射流火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究，對(duì)火焰結(jié)構(gòu)、管徑的影響等問(wèn)題進(jìn)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(cè)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(jì)算，對(duì)甲烷非預(yù)混微射流火焰燃燒特性進(jìn)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(huì)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(jì)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(duì)火焰的作用取決于火焰的形態(tài)。對(duì)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(guò)內(nèi)壁面吸收火焰熱量，因此，火焰和微管的耦合效應(yīng)對(duì)火焰燃燒有促進(jìn)作用；對(duì)于傘狀火焰，火焰主要通過(guò)端面加熱微管，微管吸收的熱量通過(guò)內(nèi)外兩個(gè)壁面散失，這時(shí)火焰和管壁間熱耦合對(duì)火焰燃燒的正負(fù)作用同時(shí)存在。

高健等[86]采用二維數(shù)值計(jì)算研究了不同壁面導(dǎo)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(gè)臨界速度使得熱回流和熱損失達(dá)到平衡，而臨界速度由壁面導(dǎo)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(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)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(duì)倒置微射流火焰燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jì)算研究了H2微火焰燃燒特性，其數(shù)值研究采用了詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并考慮了火焰和管壁間熱耦合效應(yīng)。數(shù)值計(jì)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(qiáng)火焰內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

高健等[90]對(duì)H2微射流火焰進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算結(jié)果表明H2微火焰根部會(huì)一直附著在微管壁面。詳細(xì)的分析表明，H+O2+M → HO2+M 這一基元反應(yīng)對(duì)于火焰根部反應(yīng)活性具有重要影響，同時(shí)該反應(yīng)具有負(fù)溫度依賴效應(yīng)，因此會(huì)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(duì)H2微射流火焰的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（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(kuò)散及燃燒速度較快，O2可穿過(guò)反應(yīng)區(qū)到達(dá)管口附近，當(dāng)微管的管徑較大時(shí)火焰會(huì)向管口靠近，因此在靠近熄滅極限時(shí)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(duì)H2微射流火焰熄滅特性進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)借助考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)地分析了H2微射流火焰熄滅機(jī)理。

3 總結(jié)與展望

基于燃燒的微型能源動(dòng)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(shí)間長(zhǎng)等具有諸多優(yōu)勢(shì)。然而由于微尺度條件下點(diǎn)火、穩(wěn)燃、材料適應(yīng)性、密封及潤(rùn)滑等技術(shù)壁壘，真正獲得高效、高功率輸出的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)還需要熱工、化學(xué)、材料、流動(dòng)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題以及相關(guān)技術(shù)的共同探索和進(jìn)步?；谖⒊叨葪l件下相關(guān)學(xué)科的交叉研究，目前已對(duì)微尺度下火焰形態(tài)及動(dòng)態(tài)特性、壁面材料與微尺度火焰間耦合機(jī)制及壁面化學(xué)反應(yīng)、多模態(tài)多參數(shù)的調(diào)控和利用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但遠(yuǎn)未成熟。由此帶來(lái)了很多設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的難題需要攻克和解決。毫米級(jí)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(jì)理論體系，實(shí)現(xiàn)燃燒及其附屬設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作？實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的理論研究如何更好更高效地應(yīng)用于實(shí)際？微尺度燃燒系統(tǒng)不僅僅是常規(guī)尺度系統(tǒng)的簡(jiǎn)單縮小，其設(shè)計(jì)或許需要遵循自身的準(zhǔn)則和方法。

雖然存在種種困難及挑戰(zhàn)，但對(duì)微型動(dòng)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(xué)者不斷探索及前行。可以預(yù)測(cè)隨著人類綜合科技實(shí)力的提升，微尺度燃燒的認(rèn)知將更加系統(tǒng)全面，真正穩(wěn)定高效的微型燃燒能源動(dòng)力裝置將會(huì)實(shí)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。