第1章 绪论

微尺度燃烧的研究伴随着微机电系统的发展而备受重视，并在微纳制造技术的支持下得以快速发展。研究微尺度燃烧的目的有两个方面，一是对微小尺度条件下燃烧特性和机理的揭示，二是面向基于燃烧的微动力系统发展高效清洁的微燃烧器，以获得重量轻、使用时间长的能量供给系统，并能广泛用于微型交通工具、无线设备和便携式数字产品[1-4]。微尺度燃烧包含常规尺度燃烧过程的所有环节，并受到尺度效应的影响，且相关场量的测试较困难，研究难度大大增加。

1.1 微尺度燃烧的定义

由于燃烧的定义很明确，微尺度燃烧的定义主要由如何界定微尺度所决定。目前，微尺度的定义方法通常有三种。种定义方法是根据燃烧室结构大小来定义，即燃烧室实际特征尺寸小于1mm就叫做微尺度燃烧，燃烧室实际大小在1mm～1cm则称之为小尺度燃烧。这种定义方法广泛地应用于微型发动机领域。第二种定义方法是利用火焰淬熄距离来定义。如果燃烧室尺寸小于火焰淬熄距离，可称之为微尺度燃烧。这种定义方法因其更适合基础性研究，受到科研工作者的青睐。然而，火焰淬熄距离会因燃料组分及燃烧室壁面特性(温度和材料表面活性)的不同而不同，所以很难定量地定义微尺度和小尺度的差别。第三种定义微尺度的方法是将燃烧器与常规尺度装置的燃烧器进行对比。例如，用于微型卫星的微型燃烧器，其尺寸就不一定是微尺度级别的，只要它用于相比传统卫星(大约1000kg)小得多的微型卫星(重量大约10～100kg)就可以称其为微型燃烧装置。因此，这种定义方法常常用于开发卫星推进器的情况。

1.2 微尺度燃烧的特点和面临的挑战

动力系统的目标是高能密度和高效率，这意味着对于有旋转和往复运动部件的动力系统，需要达到相当高的转速和频率，也就带来了一系列如材料选择、制造、装配和摩擦等问题。对于热机，需要选择耐高温的材料，同时又需将高温部分和低温部分有效地隔离，这在微尺度机械装置上是非常有挑战性的，特别是当使用硅之类的高热传导材料时更是如此。此外，流体泄漏也是需考虑的问题。

1.2.1 材料与加工

常规发动机燃烧器所用的材料一般为铸铁或铝合金，部分零件则使用钛、镍钴合金等，但这些材料对温度和应力都有严格的限制。所以在常规发动机中都有较强的冷却系统来降低燃烧器壁面的温度。而且，冷却系统要带走燃烧器中的一部分热量，从而进一步降低了燃烧器的效率。由于微型发动机的体积很小，冷却系统的设计比较困难，这就使燃烧器的壁面温度急剧升高，所以制造微型燃烧器的材料必须具有较强的耐高温性能。近几年研究出来的耐火陶瓷(如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC))在微尺寸范围内具有承受应力高、可适应温度范围广、机械性能和抗几何变形能力强等优点。这正是微型燃烧器的壁面材料所应具有的性能。

常规发动机零部件的加工精度一般在毫米级，而微型发动机零部件的尺寸都在10～100μm级，个别部件的加工尺寸甚至只有几个微米。在这么小的基准尺寸上要保持较高的加工精度，其难度是可想而知的。所以不能使用常规的机械加工方法来制造微型发动机的零部件。对此只能使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术、深度活性离子蚀刻技术、电子放电技术以及电化学加工(EFBA)技术等才能达到这样的加工精度。

1.2.2 驻留时间

在微型燃烧器中重要、有技术挑战性的一点就是如何提高和分配燃料和氧化剂的驻留时间。驻留时间一般包括燃料和氧化剂的混合时间和化学反应所用的时间。其中，化学反应所需的时间大约为几十微秒，大部分时间都用于燃料和氧化剂的混合。如果常规的燃烧器的容积变为1/500，并保持相同的单位面积质量流率，那么在微型燃烧器内的驻留时间就为0.05～0.1ms。这和碳氢燃料的化学反应特征时间(0.01～0.1ms)处于同一量级上。显然，在这么短的驻留时间内保障燃料和氧化剂的混合和燃烧是一项艰巨的任务。

1992年，Kerrebrock给出了燃烧器内驻留时间的简化公式[5]？

1.1

式中，L为长度；Ab为燃烧器横截面积；A2为压缩器流通面积；c为压缩比；γ为多变指数；m为空气流通速率τres为驻留时间。

由式(1.1)可知：假设两者的单位面积质量流率m？/A2相同，那么压缩器的流通面积A2和燃烧器的长度L受发动机的总体尺寸的约束以及多变指数γ基本上都保持不变。因此，只有增大燃烧器相对于发动机的尺寸Ab才能提高燃烧的驻留时间，从而保障燃料在燃烧器内充分燃烧。

另一方面，可以从降低燃料在燃烧器内的混合时间以及燃料本身的燃烧时间的角度来缩短燃料燃烧所需的驻留时间，从而使燃料在微型燃烧器内进行充分燃烧。例如，采取稀燃技术、提高燃烧器内的工作压力和混合气体温度以及在燃料和空气进入燃烧室前就将两者进行充分地混合等方法，都可以降低燃料的混合时间。在降低燃料的燃烧时间方面，可以采用催化燃烧或者使用燃烧时间更短的新型燃料。

1.2.3 大的面容比造成的传热损失

大的传热损失不仅降低微型燃烧器的效率，而且还影响燃料燃烧的稳定性。在微型燃烧器中要使燃料充分地燃烧，就必须保障有足够的燃烧驻留时间来使燃料进行混合和燃烧，这样就不可避免地要增大微型燃烧器的面容比。因此，要减少传热损失就得从以下几个方面来考虑：①降低可燃混合气体与燃烧器壁面之间的温差，这可以减少由于温差传热造成的热量损失。为此我们应尽量使用无需冷却的耐火陶瓷，从而提高燃烧器壁面的温度来降低两者之间的温差。②使用催化燃烧可以降低燃料的着火温度，进而可以降低整个燃烧器内的温度，减少传热损失。③由于传热速率与气体的流速以及传热距离成正比而与气体的运动黏度成反比，因此降低进入燃烧器的混合气体的流速、合理设置火焰中心的位置以及使用适当的混合气体浓度都可以降低传热速率，从而减少传热损失。

另外，需要说明的是，一些带转动部件的动力系统由于中心转子的质量很轻，若要输出较大功率，转子速度会非常高。如麻省理工学院所研究过的微型燃气轮机，当输出功率为10W以上时，其转子的转速度达到106r/min以上，而且在距离很小的动叶片和静叶片的基片之间存在流体力学中的缝隙效应，即动叶片和静叶片的相对速度越大，中间流体的黏性系数越大，产生的摩擦热就越大，这又反过来增加中间流体的黏性系数，因此，很容易产生过热而烧毁材料。

1.3 微尺度燃烧的发展动态

微尺度燃烧随着微机电系统的发展以及能量供应的瓶颈限制等被学界提出，微尺度燃烧的研究一开始也主要是为应用燃烧的微动力系统提供微燃烧室设计的理论依据。微尺度燃烧起步较晚，从起初研究能不能在相应的微尺度下燃烧，到目前研究怎样更好地燃烧，科学家们针对微尺度燃烧器提出了各种不同的方案并进行了相关实验，而理论方面的资料并不多。由于微尺度燃烧并不是简单地在尺度上缩小，它会产生很多新的问题和挑战：表面积相对增加、黏性效应更加明显、时间尺度缩短以及加工制造的限制。因此研发特定功能的微燃烧器首先要研究微尺度空间内火焰传播、点火和熄火、火焰稳定性及其燃烧特性。下面将分别从微尺度燃烧特性及微尺度燃烧的强化两个方面对其研究进展进行叙述。

1.3.1 微尺度燃烧特性

早在1992年，Ban等[6]在静止空气中进行了微尺度自由射流扩散火焰的实验研究，发现由于火焰浮力效应减弱以及火焰尺寸的缩小，火焰传播过程受化学动力学因素和扩散控制的共同作用，后根据测量的火焰形状建立了简单的火焰结构计算模型，其计算结果与实验结果相符。

2001年，Ida等[7]对微扩散火焰的熄火极限进行了实验研究，考察了微火焰的高度、火焰面厚度和喷管特征尺度的关系，并拟合出低速条件下空气中甲烷扩散火焰的熄火曲线。

2002年，Matta等[8]采用光学测量手段对丙烷微尺度火焰特征进行测量，将其测得的火焰高度、熄火特性等与采用层流射流扩散火焰模型的计算结果进行对比，认为采用上述模型可以正确预测微火焰燃烧过程中火焰高度等基本特征。

2002年，Raimondeau等[9]对圆管微通道内的熄火特性进行模拟研究，计算结果表明预热以及绝热条件可以保障火焰在微尺度条件下的稳定性。他们发现在燃料进口位置附近容易发生熄火，当微燃烧室的半径小于0.1mm时，火焰的稳定性主要受流动特性的影响，而当半径为0.1～10mm时，火焰的稳定性受热扩散强度和自由基活性共同影响。

2005年，台湾成功大学和中华大学的研究者对亚毫米直径管道中氢气和空气的微尺度扩散燃烧特性进行了研究[10]，并使用PLIF技术和非侵入性的紫外线拉曼散射技术来测量各种成分的浓度，尤其是—OH基团，更是首次被测得。其探测器的尺寸为0.02mm0.04mm0.04mm。拍摄的图片用来分析火焰形状和反应区，结果表明，在预热空气泄漏和热扩散增强耦合作用下能使氢气在贫燃条件下燃烧，火焰特征表明浮力效应非常小，这也与Spadaccini[11]的研究结果相吻合。

2013年，Hirasawa等[12]分别用一步总包反应和基元反应对微尺度扩散火焰进行数值模拟后指出甲烷在微尺度条件下的扩散燃烧尺度极限为1mm3，功率极限为1W。

2003年，日本Toriyama等[13]设计的微型往复式发动机中其燃烧室容积为0.5mm3，燃烧温度和压力的峰值达到850K和1.4MPa，理论上可以达到50%的热效率。实验中燃气的淬熄距离和燃气速度对燃烧室尺寸的缩小有很大的影响，因此研究者终选择使用氢气作为微型发动机的燃料，该装置驱动电力发生器可以产生26mV的电压和40mW的输出功率。Hua等[14，15]2005年指出，在燃烧室壁面热扩散作用增强和燃烧室特征尺寸减小的情况下，微尺度火焰更容易熄火。绝热边界时，当燃烧室的尺寸大于绝热火焰面厚度的情况下，火焰能保障稳定性。

2007年，伊利诺伊大学Prakash等[16]研究了甲烷和氧气的非预混气体在氧化铝燃烧室内的火焰结构，分析了非稳定、动态和瞬态的火焰现象，发现火焰有类似于蜂窝状结构的稳定边界。这些动态火焰终导致稳定火焰(由分离的燃烧区域组成)的形成，燃料的类型、进口处燃料与氧化剂的比率以及燃料与氧化剂流体之间的相对位移并不是影响火焰稳定性的主要因素。

日本东京大学的Kuwana和近畿大学的Tagami等[17]提出了一种预测层流射流扩散火焰在亚毫米直径燃烧室内的熄火极限理论，经典Burke-Schumann理论首次用于分析一步总包化学反应速率的影响。其次提出用活化能去预测扩散火焰熄灭极限的理论方法，并且很好地与实验相吻合，燃烧室火焰熄灭起始于燃烧室的边缘，当在火焰尖端处的混合物比例分数大于某一临界值时发生熄火。实验和模拟均验证了这一微火焰熄灭现象。这一理论可应用于甲烷、丙烷和丁烷等不同燃料。

2007年，伊朗设拉子大学的Kamali等[18]分析了各种壁面边界条件的影响，如绝热壁、热损失和热传导系数等。研究表明，当燃烧室的直径变小，面容比增加后，这些因素的影响开始变大。例如，更快的热量流失和更小的燃烧室尺寸使得燃烧室内的火焰更容易淬熄。

2009年，新加坡国立大学的Li等[19]模拟了甲烷和空气的预混气体在微燃烧室的燃烧。分析了燃烧室尺寸大小结构、进口气体速度剖面和壁面滑移边界条件对火焰温度的影响，模拟结果表明，较大尺寸的燃烧室(直径=2mm)只有在进口流速低于一定数值的时候才能达到更高的温度。在直径为1mm的燃烧室内，相比于流速和进气温度来说，壁面滑移的影响是可以忽略的。

Yang等[20]开展了微尺度不锈钢管燃烧室的氢氧预混燃烧实验。实验发现，在进口流速小于1.3m/s时，燃烧难以在直径为2.15mm的不锈钢管中稳定进行；当进口流速在2～8m/s区间变化时，维持稳定燃烧所需的小氢气/空气变化的范围为0.45～0.9，相应的过量空气系数为0.467～0.933。对于第二、三种燃烧室，在相同的