微燃烧器是微型机电系统的核心部件,但目前所见的微燃烧器都是基于连续燃烧方式,在微尺度效应的作用下,燃烧器内易出现工作不稳定、燃烧不完全、燃烧效率和热效率低、污染物排放浓度高等问题。

脉动燃烧具有燃烧效率高、燃烧强度大、传热效率高和污染物排放少等优点,或可克服现有微燃烧技术难题。在此背景下,课题组提出了一种微脉动燃烧技术概念,并通过实验和数值模拟验证微脉动燃烧的可行性。

课题组取得以下主要研究成果：。

1. 针对基于稳态燃烧技术的微燃烧器燃烧不充分,热效率低的问题,本课题提出将脉动燃烧技术应用于微燃烧器设计,利用脉动燃烧的燃烧强度高、燃烧速率快的优点来解决常规燃烧器的技术难题。据此,课题提出了微脉动燃烧器概念,并成功实现了预混和非预混两种微脉动燃烧器稳定运行,其中脉动频率分别为 360.5Hz 微型预混脉动燃烧,其能量密度可达500kW/m2 。新技术已获得 2 项实用新型,1 项发明专利授权。

2. 课题对微小型 Rijke 管丙烷非预混脉动燃烧过程进行了大量实验, 研究了

a. 微脉动燃烧过程火焰特性-如火焰结构周期变化,火焰传播速率等,通过高速摄像图片分析,发现了火焰飘离现象。

b. 微脉动燃烧运行特性, 绘制了微脉动燃烧器稳定运行图谱, 通过图谱分析发现 “频率跳变”与”脉动强化”现象。

c. 脉动燃烧稳定性,绘制了脉动燃烧起振曲线,停振曲线,熄灭曲线等课题实验结果提高对微脉动燃烧器的了解,同时为微脉动燃烧结构设计提供了数据基础和理论指导。

3. 课题建立了脉动燃烧计算流体力学数学模型,并将数学模型应用于常规尺寸和微小尺寸脉动燃烧器运行过程模拟。利用数学模型进行常规尺寸脉动燃烧器结构设计,分别验证了分叉尾管,多尾管等结构运行可行性。在此基础上,将数学模型应用于模拟两款仿生微脉动燃烧器-基于“投弹手”甲壳虫喷雾防卫机理的,带”心型”燃烧室的微脉动燃烧器。

数值模拟结果发现“心型”燃烧室因为带有侧室结构,提供了高温气体停留空间,使得新喷入的燃气混合气易点燃,因为”心型”燃烧室可以有较短的尾管结构,从而为降低现有脉动燃烧器的长径比提供了一种新思路。

4. 课题也进行了脉动燃烧器应用及结构优化方面研究。在脉动燃烧器应用方面,提出了一种基于微脉动燃烧器电能和推力产生装置,并获得专利授权。同时,也将脉动燃烧技术应用于污水厂污泥、蛋清粉等物料雾化干燥,已发表两篇 SCI 论文,脉动燃烧污泥干燥技术获得专利授权。提出了一种带旋转床层的脉动燃烧器, 以解决脉动燃烧燃烧均匀性问题, 已获得专利授权。

脉动燃烧技术应用于污水厂污泥、蛋清粉等物料雾化干燥,已发表两篇 SCI 论文,脉动燃烧污泥干燥技术获得专利授权。

提出了一种带旋转床层的脉动燃烧器, 以解决脉动燃烧燃烧均匀性问题, 已获得专利授权。