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微型内燃机燃烧室的特征尺寸为毫米量级,接近微尺度燃烧火焰面的厚度,燃料化学能释放必须在微小的空间和很短的时间内完成,因此,研究微尺度空间内火焰传播特性对开发微型内燃机具有重要的意义。以往在微尺度燃烧方面的研究主要针对微小空间内稳定流场的燃烧,而封闭空间内火焰传播特性的研究较少,特别是实验研究方面数据报道缺乏。本文设计了一种新型狭缝微型定容燃烧装置,在常温常压条件下,开展了微小封闭空间内低碳碳氢燃料/空气的静止预混气体的火焰传播特性研究,通过高速摄影仪记录了毫秒量级的火焰传播过程,采用MATLAB编程对火焰传播图像进行了处理,分析了不同当量比、特征尺度和燃料掺氢比例条件下的乙烷/空气预混气、丙烷/空气预混气和正丁烷/空气预混气的火焰形态和传播速度特性,获得了当量比、微燃烧室特征尺度和掺氢比对火焰传播特性的影响规律和作用机制。论文研究成果为开发新型微小内燃机提供了设计依据和理论指导。本文的主要内容及研究成果如下:(1)在微尺度定容燃烧腔中,低碳碳氢燃料的可燃极限随着碳原子数目的增多而变窄。对于同一种燃料,可燃极限随着燃烧腔特征尺寸的增大而拓宽。对于丙烷/空气混合气,在H=2mm的间隙内,其可燃极限为1.0~1.45,而在H=5mm间隙内,其可燃极限扩展为0.9~2.2。(2)在微尺度定容燃烧腔中,微尺度火焰传播中的火焰锋面会呈现光滑、褶皱与断裂三种形态。当狭缝间隙一定时,随着当量比的增加,更容易出现火焰褶皱和火焰锋面断裂的现象。例如在直径150mm,间隙2mm的定容燃烧腔中,丙烷/空气混合气随着当量比的增加,褶皱出现时刻更早,而当量比增加到1.45时,火焰锋面就开始出现断裂现象。在相同当量比下,随着狭缝间隙的减小,微尺度火焰传播中火焰的褶皱和断裂现象出现的时刻提前。例如在当量比为1.2时,2mm的间隙内,间隙褶皱出现时刻早于3mm间隙条件,3mm间隙褶皱出现时刻早于5mm间隙。分析可知:随着当量比的增大,预混火焰的热扩散率和质扩散率不协调程度增强,导致火焰不稳定性增强,提前出现褶皱,甚至断裂;随着狭缝间隙的减小,微燃烧腔的表面积体积比增大,导致散热增强,燃烧强度减弱;另外,随着间隙的减小,火焰面曲率增大,并且水动力学作用增强,导致火焰不稳定性加剧,褶皱和断裂时刻提前。(3)在微尺度定容燃烧腔中,预混火焰的传播速度随着传播半径的增大而减小。在相同间隙下,随着当量比的增加,乙烷/空气预混气、丙烷/空气预混气和正丁烷/空气预混气的火焰传播速度先增大后减小,且均在当量比1.2附近达到最高。另外,在2mm间距下,三种燃料预混火焰的传播速度相差不大。在相同当量比下,随着燃烧腔间隙的减小,火焰传播速度先增大后减小。在本文研究中,由于水动力学和壁面回热的耦合作用,当量比为1.2条件下,相比于其他燃烧腔间距,在H=3mm间距时,丙烷/空气预混气和正丁烷/空气预混气的火焰传播速度达到最高。(4)通过计算和分析正丁烷预混火焰的火焰拉伸率可知,在相同间隙的微型定容燃烧腔内,当量比对火焰拉伸率的影响很小;在相同当量比下,燃烧腔间隙对拉伸率的影响较大,而在火焰传播末期,水动力学不稳定是导致火焰不稳定的主要因素,因此,微燃烧腔的间隙越小,间隙对水动力学的影响愈加明显。(5)氢气的掺入对预混火焰的传播速度和燃烧特性影响较大。随着氢气的掺入,丙烷/空气混合气的火焰传播速度整体增加,在H=2.5mm的燃烧腔中,掺混体积分数为13.2%的氢气时,传播速度最高达到8m/s,并且发生了爆燃现象。证明在微小定容空间内发生爆燃是可能的。在相同当量比,相同间距下,随着氢气掺入,火焰锋面褶皱更加细密,极大增加了火焰锋面面积,使得燃烧反应剧烈。另外实验中发现了一些微尺度燃烧的特殊现象。例如,在间距为5mm的燃烧腔内,在当量比为1.4时,正丁烷/空气预混气的火焰锋面在传播过程中,锋面投影厚度出现了跳动变化,而当量比为1.8时,在传播过程中出现了未燃气穿过火焰锋面并燃烧的现象;在当量比1.5,间距2.5mm的条件下,正丁烷/空气预混气的火焰传播缓慢,传播速度低于0.28m/s;间距5mm,当量比为1.5时,丙烷/空气预混气在传播过程中有局部湍流现象的出现。