電場與小尺度火焰相互作用的實(shí)驗(yàn)研究及模擬分析.pdf

1、自20世紀(jì)80年代以來，微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)(Power MEMS)得到了空前發(fā)展。微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)的能量由燃料在微燃燒器中燃燒獲得，所以研究微尺度燃燒現(xiàn)象就變得十分必要。微尺度燃燒面容比大、燃料物理停留時(shí)間短等固有的特性使得微尺度火焰非常不穩(wěn)定、易于熄火，這已經(jīng)成為制約微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者在緩解火焰熄火方面取得了一定的成果，但沒有從根本上解決問題。本文采用實(shí)驗(yàn)研究為主，數(shù)值模擬為輔的方法分析電場與小尺度火焰之間的相互

2、作用，其目的是增強(qiáng)小火焰的穩(wěn)定性。
　　本文搭建了電場與小尺度火焰相互作用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過給小尺度火焰外部施加交直流電場的方法，研究不同電場條件對(duì)小尺度擴(kuò)散火焰和小尺度預(yù)混火焰的影響以及電極對(duì)組合參數(shù)對(duì)小尺度火焰的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交直流電場對(duì)小尺度擴(kuò)散火焰和小尺度預(yù)混火焰的形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧鏈囟纫约盎鹧娴碾妼W(xué)特性等都有一定的影響。在電場激勵(lì)作用下，火焰溫度升高，電離度增大，火焰中電子密度增大。說明一定的電場條件可以強(qiáng)化微小

3、尺度燃燒，但是過強(qiáng)的電場會(huì)將小尺度火焰吹熄。電極對(duì)組合參數(shù)對(duì)小尺度火焰影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明電極形狀不同，火焰的電離度不同；電極高度越大，火焰電離度越小。
　　為了解釋實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的若干現(xiàn)象，本文運(yùn)用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics實(shí)現(xiàn)了傳熱、燃燒和電磁場的多場耦合，研究了在不同的電場條件下火焰中電子溫度、電子密度、火焰內(nèi)部電勢、電場強(qiáng)度以及火焰溫度和火焰中化學(xué)組分的變化情況。模擬結(jié)果表明在一定的電場

4、條件下火焰中的電子密度和電子溫度均隨著電場強(qiáng)度的增大而增大，電子密度和電子溫度是火焰電阻的主要影響因素，這就可以解釋實(shí)驗(yàn)過程中火焰導(dǎo)電性隨外部電場條件的變化規(guī)律。另外，根據(jù)模擬結(jié)果中火焰內(nèi)部電場強(qiáng)度的變化就可以解釋實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的火焰形態(tài)變化和產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象。
　　論文的研究成果在一定程度上有助于提高微小尺度燃燒的穩(wěn)定性。合適的電場條件可以增大小尺度火焰的離子濃度，增強(qiáng)火焰的導(dǎo)電性，這些因素的共同作用使得小尺度燃燒的化學(xué)反應(yīng)速