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| 自20世纪80年代以来,微动力机电系统(Power MEMS)得到了空前发展。微动力机电系统的能量由燃料在微燃烧器中燃烧获得,所以研究微尺度燃烧现象就变得十分必要。微尺度燃烧面容比大、燃料物理停留时间短等固有的特性使得微尺度火焰非常不稳定、易于熄火,这已经成为制约微动力机电系统发展的瓶颈。近年来国内外很多学者在缓解火焰熄火方面取得了一定的成果,但没有从根本上解决问题。本文采用实验研究为主,数值模拟为辅的方法分析电场与小尺度火焰之间的相互作用,其目的是增强小火焰的稳定性。本文搭建了电场与小尺度火焰相互作用的实验台,通过给小尺度火焰外部施加交直流电场的方法,研究不同电场条件对小尺度扩散火焰和小尺度预混火焰的影响以及电极对组合参数对小尺度火焰的影响。实验结果表明,交直流电场对小尺度扩散火焰和小尺度预混火焰的形态、火焰传播速度、火焰温度以及火焰的电学特性等都有一定的影响。在电场激励作用下,火焰温度升高,电离度增大,火焰中电子密度增大。说明一定的电场条件可以强化微小尺度燃烧,但是过强的电场会将小尺度火焰吹熄。电极对组合参数对小尺度火焰影响的实验研究结果表明电极形状不同,火焰的电离度不同；电极高度越大,火焰电离度越小。为了解释实验过程中观察到的若干现象,本文运用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics实现了传热、燃烧和电磁场的多场耦合,研究了在不同的电场条件下火焰中电子温度、电子密度、火焰内部电势、电场强度以及火焰温度和火焰中化学组分的变化情况。模拟结果表明在一定的电场条件下火焰中的电子密度和电子温度均随着电场强度的增大而增大,电子密度和电子温度是火焰电阻的主要影响因素,这就可以解释实验过程中火焰导电性随外部电场条件的变化规律。另外,根据模拟结果中火焰内部电场强度的变化就可以解释实验过程中观察到的火焰形态变化和产生的电火花现象。论文的研究成果在一定程度上有助于提高微小尺度燃烧的稳定性。合适的电场条件可以增大小尺度火焰的离子浓度,增强火焰的导电性,这些因素的共同作用使得小尺度燃烧的化学反应速率提高,火焰传播速度增加,进而对小尺度火焰燃烧的稳定性起到强化作用。 |
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