李 星，杨浩林，蒋利桥，赵黛青†，汪小憨†

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640）

0 前 言

随着科学技术的进步，电子与机械产品的微型化和便携化成为当今发展的主流趋势。微电脑、便携式检测仪器、无人值守野外设备、紧急备用电源和微型机器人等这些微机械和微电子产品迅速发展并被广泛应用，改变了人类的生产和生活方式，也成为人类文明发展的标志和推动力之一。目前，这些产品的能源供给方式主要采用自身携带的电池[1]。在过去20年中，随着便携式机电设备的功能大幅提升，相应的电力消耗也增大了20倍[1]，而电池的能量密度却没有大幅度提升，难以给用户提供理想的连续工作时间。显然，采用先进的机械加工技术乃至微电子机械系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）技术，能够把电子或机械产品做到微型化，但供能部件（如电池）却成为整个系统中最笨重的单元，制约了产品微型化的实现，因而迫切需要研制新型的高能量密度、高功率重量比、长寿命的微型能源动力系统。

另一方面，在国防及国家安全事务方面，目前正大力发展微型无人机、野外便携式电源和单兵作战系统等先进国防装备，这些装备的最大特点是微小型化和智能化。电池是目前这些装备主要采用的供能方式，美国国防部预研计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“微星”飞行器采用电池和电机螺旋桨组成动力系统，飞行器总重约100 g，其中推进装置重20 g，电池重达45 g，整个动力装置占飞行器重量的60%以上，极大地限制了飞行器能够提供给飞行控制、侦察、数据通信等设备的有效载重量。即便这样，“微星”的续航时间仍仅有10 min左右，无法达到国防装备起码的设计需求。因此，高能量密度、连续供能时间长的微型能源动力装置的设计和制造是最为关键的技术之一[2-3]，DARPA最早部署并一直持续该方面的研究。

以上动态显示，高效微型能源动力系统的研发和制造能力已成为影响国家国防装备竞争力的一个科技制高点。由于碳氢燃料具有较高的能量密度，可以提供较长的续航时间。因此，许多国家的研究机构部署和开展了基于燃烧的可用于提供动能和电能的微型能源动力系统的研究[4-8]以及与其密切相关的微尺度燃烧的基础研究。

1 基于燃烧的微型动力装置

1.1 微燃烧能源动力装置

二十世纪九十年代，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）燃气轮机实验室研发了基于MEMS技术的微型燃气轮机系统[9]，系统总体积约为300 mm3，其中燃烧器的体积为 66 mm3，设计转速2.4 × 106r/min，设计功率20 W，其燃烧室的示意图如图1所示。MIT相关研究人员还开发了6层结构的微型燃气轮机[10]，如图2。这一研究提出了开发基于燃料燃烧的高能量密度微型能源动力系统的新思路。据分析，典型碳氢燃料的能量密度约为50 kJ/g，是目前可充电电池的100倍左右，理论上即使基于燃料燃烧的微能源动力系统的能效仅有10%，其供能时间也可以比充电电池提高一个数量级，且燃料补充迅速，易于更换。

图2 MIT六层硅片燃烧室示意图[10]Fig.2 MIT six-wafer micro gas turbine[10]

在美国之后，日本和欧洲分别也提出了类似的微型燃气轮机系统[11]。我国率先开展相关微型动力系统工作的单位有中国科学院广州能源研究所[12]、江苏大学[13]、浙江大学、清华大学、北京工业大学等。为保证系统能效，微型燃气轮机要求在100万～ 200万r/min的超高转速下运行，要求轴承具有极高的耐温、耐磨性能，对材料和工艺的要求极为苛刻，目前无法满足长时间的有效运行。

在微型燃气轮机以外，美国和日本开展了微型斯特林机的研究，功率为 25～100 W[14-15]，斯特林机虽然有连续燃烧的优点，但传热学分析认为其效率与尺寸成正比关系，不适合微型化。

美国加州大学伯克利分校基于奥托（Otto）循环研究了四冲程的微型汪克尔发动机[16]，模型图如图3所示。该装置以氢气作为燃料，在9 300 r/min下获得了3.8 W的输出功率，效率不到0.5%，存在严重的泄漏与磨损问题。中国科学技术大学对微型汪克尔发动机工作性能进行了数值研究[17]。北京工业大学研制了转速 7 800 r/min，功率 220 W 的小型汪克尔发动机[18]。

图3 微型汪克尔发动机[16]Fig.3 Micro rotary engines[16]

为了克服汪克尔发动机的磨损和泄漏问题，美国哈利威尔公司和明尼苏达大学合作研究了基于均质压燃的自由活塞爆震发动机[19]，如图4所示。佐治亚理工学院将电机的永磁体集成到活塞中，研制了铁磁自由活塞发动机[20]和双活塞发动机，这些都属于线性活塞发动机，设计输出功率数十瓦，但未公布相关实验数据。

图4 基于均质压燃的自由活塞爆震发动机[19]Fig.4 The mesoscale free-piston “knock” engine using homogeneous charge compression ignition[19]

为充分利用发动机空间，提高能量密度，密西根大学提出了两臂摆动式发动机[21]，其设计功率为数十瓦，可以按四冲程和两冲程两种工作模式工作，四冲程比两冲程热效率高，但能量密度低。

中国科学院工程热物理研究所[22]、中国科学院广州能源研究[23]及南京航空航天大学在“973”项目的支持下设计研制了微型发动机并对其工作特性进行了研究，样机如图5所示。最新的实验表明一种采用丁烷为燃料的微型发动机样机的指示功率接近百瓦，指示热效率达到5%左右；另一种采用甲烷为燃料的微型发动机样机的单缸指示功率达到百瓦以上，指示热效率超过10%，该研究成果领先于目前报道的同类尺度微型发动机的性能。

图5 具有4个燃烧腔的微型摆式发动机[22]Fig.5 Mesoscale internal combustion swing engine (MICSE)with four combustion chambers[22]

1.2 微燃烧推进器

用于微小型军事设备推进和姿态调整微型推力装置是微尺度燃烧的另一个应用。微型卫星[24]一般指质量为1～20 kg的卫星，而纳米卫星则指质量低于1 kg的卫星，如图6，具有成本低、质量轻、体积小、性能高和研究周期短等特点，因而可极大地提高发射可靠性并增加发射次数。单颗廉价小卫星既可用于快速完成单项任务，又能与其他小卫星组成卫星群，完成复杂任务。

图6 微小卫星点阵[24]Fig.6 Digital micro propulsion micro spacecraft array[24]

图7 微小卫星推动系统[25]Fig.7 High-pressure bipropellant micro thruster by stacked silicon wafers developed at MIT[25]

2001年，MIT的LONDON等[25]设计制造了一种微型火箭发动机，其推动装置的结构如图7所示。该发动机由 5到6片硅片叠在一起组成，硅片上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道。整个发动机约长 15 mm、宽 12 mm、厚 2.5 mm。设计采用液态氧和乙醇作燃料，设计推力重量比大于1 000∶1，推力功率 20 kW。在采用 12.67 MPa的甲烷氧气混合气燃烧实验中，得到了1 N的推力，推力功率为750 W，推力重量比达到85∶1。

1.3 微燃烧器、微热电及微热光电装置

通过微型燃烧器直接获得热能，或通过热电或热光电装置直接转换为电能是微尺度燃烧的另外几个利用途径。

2001年，美国南加州大学开发了二维和三维结构的瑞士卷式微燃烧器[26]。瑞士卷式微燃烧器利用燃烧后气体加热反应气体，有效回收热量提高能量利用率。此后南加州大学又开发了利用二维瑞士卷式微燃烧器的固体氧化物燃料电池[27]。

2005年，日本东北大学 MARUTA等开发了不同材料及尺寸的碟形瑞士卷式微燃烧器[28-29]，见图8、图9，并对其燃烧特性进行了实验和数值研究，获得了不同当量比条件下燃烧器稳定工作的范围。研究表明碟形瑞士卷式微燃烧器的最低效率高于60%，燃料混合物流速适中时其效率可以维持在70%左右。

清华大学钟北京等[30-31]也对平板Swiss-roll燃烧器内CH4/空气预混气燃烧特性进行了实验研究，获得了不同甲烷流量下燃烧器的熄火极限。

图8 日本东北大学瑞士卷燃烧器[28]Fig.8 Disk-shaped Swiss-roll combustors for general purpose heat sources[28]

图9 瑞士卷燃烧器内火焰[5]Fig.9 Disk-shaped Swiss-roll combustors[5]

赵黛青等[32]提出并设计制造了一种基于壁面渗透燃烧的低热损微燃烧装置，如图10所示。利用透过壁面的低温未燃气保护，该燃烧器可有效降低壁面温度和热损失，强化微燃烧装置内的燃烧稳定性，其火焰形态如图11所示。

图10 微尺度壁面渗透燃烧[32]Fig.10 Structure of the self-thermal miniature combustor[32]

图11 微尺度壁面渗透燃烧器内火焰[32]Fig.11 Image of flame in the self-thermal miniature combustor[32]

除了直接输出热能，微燃烧器还可以和热电转化原件组合构成能够直接输出电流的微热电转换系统。周俊虎等[33]及钟北京等[34]分别研制了采用H2和CH4为燃料的微型热电转化系统，并对其工作特性进行了测试。赵黛青等[35-36]研制了一种以二甲醚为燃料的微热电系统并获得了2 W的电流输出，相应装置如图12所示。

图12 基于平板微燃烧器的微型热电转换装置[36]Fig.12 Micro thermoelectric power generation system integrated with plat-flame combustor[36]

微热光电（micro thermophotovoltaic,MTPV）系统是利用光电转换将热辐射能（来自碳氢燃料燃烧）转变为电能的微型能源系统。新加坡国立大学杨文明等[37-38]研制了微热光电系统，测试了系统的可行性并对相关微燃烧器设计进行了优化[39]，相关工作的示意图及系统分别如图13和图14所示。

图13 微热光伏转换示意图[39]Fig.13 Sketch of a micro cylindrical TPV power generator[39]

图14 无冷却片圆柱形微热光电转换系统[39]Fig.14 A prototype micro cylindrical TPV power generator without cooling fins[39]

可以看到，基于燃烧的微型能源动力系统可以输出热量、功或者电流，有着广阔的应用前景和重要的民用及军事意义。然而，参照常规能源动力系统按比例微小型化后的系统并没有达到预期的性能目标，普遍存在运行稳定性差和能量转换效率低的问题。一方面是由于受到材料性能、机械加工、摩擦和密封等因素的制约，不仅造成整个系统的耐久性差，而且气体泄露、压力损失等严重影响了热功转换效率。另一方面，微燃烧室内燃烧效率低和不稳定也是制约系统能效提升的关键因素之一。通常微燃烧室的特征尺寸为毫米量级，比表面积比常规尺度的燃烧室增大近2～3个数量级。由于尺度的减小，一些在大尺度燃烧系统中可以忽略或并不占主导的因素，如点火过程、停留时间、壁面散热、自由基寿命等，会对微燃烧过程产生显著的影响，甚至导致一些特殊的微尺度燃烧现象发生。

为提高微型能源动力系统内的燃烧稳定性和能量密度，国内外学者开展了微尺度条件下燃烧特性的相关基础研究，并逐步形成了较为完整的微尺度燃烧理论，为进一步推动微型能源动力系统的发展奠定了基础。

2 微尺度燃烧的基础研究

微尺度燃烧一般指当燃烧的特征尺寸接近火焰的熄火间距时发生的燃烧现象或过程[5-6]。过去十几年，国内外学者对微尺度火焰燃烧的特性展开了系统的研究。相关研究按照火焰的类型主要分为微尺度预混火焰和微尺度非预混火焰，其中微尺度预混火焰的研究较广泛和全面。

2.1 微尺度预混火焰燃烧特性研究

NORTON等[40]采用二维数值计算研究了 CH4/air预混火焰在微通道内的燃烧特性，探讨燃烧器尺度、导热系数、壁面材料、外部散热等因素对燃烧特性及火焰稳定性的影响，图15给出了不同板间距下微火焰的火焰锋面。研究表明微燃烧器内可获得稳定燃烧的速度范围较小，在强散热条件下会出现周期性震荡火焰。NORTON等[41]还对C3H8/air火焰在微通道内的燃烧特性进行了研究，并给出了不同导热条件下微火焰稳定的速度范围，结果如图16所示。

图15 不同板间距下微火焰锋面反应速率[40]Fig.15 Reaction rate of micro flame[40]

图16 不同壁面导热率下稳定燃烧速度范围[41]Fig.16 Critical velocity vs wall thermal conductivity[41]

MARUTA等[42]提出采用外部热源加热微尺度石英管来获得稳定的微尺度火焰的方法（图17）。通过实验测试给出了U型和直通石英管内不同形态火焰存在的范围。KIM等[43]通过实验对管内甲烷及丙烷的微尺度预混火焰可燃极限进行了研究，结果表明靠近可燃极限时，流动及传热机制对火焰质量流量消耗率及火焰厚度有显著影响。KIM等[44]随后采用一步化学反应机理对微管内传播进行了数值研究，数值计算对比了绝热、等温、壁面速度有无滑移条件下微尺度火焰的形态及传播速度。

图17 U 型微管内火焰形态：（a）φ=1.2；（b）φ=1.3[42]Fig.17 Photograph of the flame in the U-shaped channel:(a) φ=1.2;(b) φ=1.3[42]

范爱武等[45]对有外部热源的微型碟片燃烧器（图18）内的预混火焰燃烧特性进行了实验研究。实验结果表明在不同流速及当量比下，微型碟片燃烧器内可形成多种复杂的火焰形态，如图19所示。MARUTA及 TSUBOI等[46-47]对具有加热边界微圆管内CH4/air火焰响应特性进行了实验研究，发现当量比为1的预混气体在不同流速条件下会有三种火焰响应：常态火焰（normal flame）、快速着火熄灭火焰（flames with repetitive extinction and ignition,FREI）以及弱火焰（weak flame），结构图及火焰形态分别如图20和图21所示。

图18 微型碟片燃烧器[45]Fig.18 Schematic diagram of the experimental setup[45]

图19 微型碟片燃烧器内火焰形态[45]Fig.19 Photos of various flame patterns observed in radial microchannels[45]

图20 具有外部加热的石英微圆管[47]Fig.20 Micro quartz tube with external heat source[47]

图21 CH4/air混合物在微型反应器内三个来流速度下的火焰形态：（a）常态火焰（60 cm/s）；（b）动态火焰FREI（30 cm/s）；（c）弱火焰（1 cm/s）Fig.21 Flame images of CH4/air in the micro flow reactor: (a)normal flame (60 cm/s);(b) FREI (30 cm/s);(c) weak flame(1 cm/s)

蒋利桥等[48-50]在可视化圆盘状狭缝式微型定容燃烧装置上，分别对比考察了丙烷、丁烷等燃料预混火焰传播特性，研究了能够获得稳定火焰传播的当量比范围（图22）。实验结果表明狭缝定容弹内火焰传播速度随半径（时间）增大逐渐衰减，其结果进一步验证了大比表面积微小空间内火焰传播速度显著降低的特性。微小空间内火焰传播速度的降低，使得微型动力装置中燃烧组织困难。

图22 不同间距下丙烷/空气火焰传播形态（φ=1.2）[50]Fig.22 C3H8/air flame propagating in disk-like combustion chamber at different heights[50]

霍杰鹏等[51]对圆盘狭缝里的火焰传播过程进行了二维非稳态数值模拟（图23），主要考察了不同狭缝高度（0.5～5 mm）下火焰的传播特性。数值计算表明在封闭狭窄空间中，火焰面受壁面粘滞力作用会产生明显形变和拉伸。拉伸的火焰面面积决定了火焰传播速度，火焰面被拉伸程度越大，火焰传播速度越大。狭缝高度与火焰拉伸之间的对应关系为非单调的，存在一个最优的狭缝高度使火焰面被拉伸程度达到最大值，如图24所示。

图23 不同板间距下火焰锋面反应速率及速度分布[51]Fig.23 Reaction rate and velocity field of flames at different channel heights[51]

图24 不同板间距下火焰传播时间比较[51]Fig.24 Comparison of the total time consumptions for the process of flame propagation in the gaps of R=30 mm,17.5 mm and 10 mm[51]

PIZZA等[52]采用考虑详细化学反应机理的直接数值计算对 H2/air预混气不同板间距下微尺度火焰燃烧特性进行了研究[52-53]，得到不同类型的火焰响应，并给出了稳定火焰存在的速度范围，如图25。SUZUKI等[54]对具有加热壁面的微型石英燃烧器（图26）内CH4/air火焰燃烧特性进行实验研究，结果表明可燃极限随壁面间距减小而减小，随壁面温度增加而增加。SUZUKI等[55]采用OH-PLIF对微火焰内OH分布进行测量，并探讨了对火焰熄灭机理。

图25 平板微通道内（h=2 mm）不同流速下微火焰形态图谱[53]Fig.25 Flame stability diagram for the h=2 mm channel[53]

图26 石英材质微型燃烧器[54]Fig.26 Micro quartz combustor[54]

除了对微尺度火焰形态及响应特性的研究，许多学者提出了提高预混火焰在微小通道内的稳定性的方法。范爱武等[56]提出了在微通道平板燃烧器内添加钝体的方法（图27）来提高火焰的稳定性。实验结果表明在微通道平板燃烧器内添加钝体可以极大地提升 H2/air火焰的吹熄极限，同时还可获得较高的燃烧效率。数值计算结果表明在钝体后部形成的低速区域有利于火焰的稳定。范爱武等[57]还对比了采用不同材料及不同钝体形状时 H2/air火焰在微型钝体燃烧器的燃烧特性，并采用数值计算阐明了相关稳燃机理。

图27 具有钝体的微型平板燃烧器[56]Fig.27 Micro combustor with a bluff body[56]

范爱武等[58]还提出了具有凹腔的微尺度平板燃烧器（图28），研究表明增加凹腔结构后CH4/air火焰在微燃烧器内的吹熄极限是其层流火焰速度的数倍。数值计算表明在凹腔内会形成回流区及低速区，同时壁面还存在回热效应，这些因素的共同作用导致了微尺度火焰吹熄极限的提升。

图28 具有凹腔结构的微尺度平板燃烧器[58]Fig.28 Micro combustor with a wall cavity[58]

除了采用钝体及凹腔，还有学者提出了采用催化燃烧来提高微尺度火焰燃烧稳定性的方法。MARUTA等[59]对镀铂微管内CH4/air微尺度火焰燃烧特性进行了数值研究。VLACHOS等[60]采用实验及数值计算对微通道内 C3H8/air催化燃烧进行了研究，其结果表明燃料的转化率与气体在燃烧器内的滞留时间相关。LI等[61-62]研究了同时具有催化段和凹腔结合的微尺度燃烧器（图29），结果表明催化段的反应可以加强凹腔内气相反应。

图29 微尺度壁面渗透燃烧器内火焰具有催化涂层和凹腔的微尺度燃烧器[62]Fig.29 Small-scale reactor with catalyst segmentation and cavities[62]

火焰与壁面间相互作用是影响微尺度火焰燃烧特性的一个重要因素。杨浩林等[63-66]采用 OH-PLIF测试技术研究了壁面材料及温度对狭缝燃烧器内微尺度火焰熄灭特性。实验结果表明采用不锈钢、硅、氧化锆陶瓷壁面时，火焰的熄火间距依次减小，壁面材料对壁面附近的OH·浓度影响显著。当壁面附近维持较高的OH·浓度时，火焰具有更高的稳定性。通过对表面材料的物化分析，揭示了材料组分和晶体结构对自由基吸附特性及火焰稳定性的影响机制，部分测量结果如图30所示。

SUZUKI等也开展了类似的实验研究，对比了采用铂、氧化铝、铬材料壁面时火焰内OH·的分布特性[67]，并结合数值计算估算了不同壁面材料表面的吸附系数。范勇及SUZUKI等采用脉冲放电生成OH·，通过OH-PLIF测量研究了不同壁面材料条件下壁面的热效应及化学效应[68]。研究表明壁面温度低于500℃时热效应占据主导，当温度较高时壁面化学效应占主导。壁面温度高于700℃时，由于吸附系数不同，石英壁面附近的OH·浓度低于氧化铝壁面附近OH·的浓度，如图31所示。

图30 狭缝燃烧器内火焰OH· 测量结果[66]Fig.30 OH· fluorescence intensity close to the wall[66]

图31 不同壁面材料时无量纲OH· 浓度分布[68]Fig.31 Normalized OH· concentration at different walls[68]

陈正等[69]通过理论计算研究了自由基在壁面淬熄对管内火焰传播特性的影响，结果表明随着自由基刘易斯数（Lewis Number,Le）的减小，热熄灭及自由基熄灭的影响增大，当自由基链分支反应的温度增加时壁面自由基淬熄的影响将减小。

赵黛青等[70-72]研究了壁面反应对甲醇中低温着火特性的影响，通过化学反应动力学的路径分析和敏感性分析，获得了影响甲醇中低温着火的关键自由基，并进一步完善了甲醇中低温壁面反应动力学机理。数值计算结果表明增大壁面吸附系数会显著增加着火延迟时间。研究还进一步获得了能快速计算甲醇着火延迟时间的显式公式。

2.2 微尺度非预混火焰燃烧特性研究

与微尺度预混火焰不同，微尺度非预混火焰的研究主要是在开放空间内完成。MATTA等[73]研究了静止空气中的丙烷（C3H8）微射流火焰，实验得到了火焰高度随流量的变化规律（图32）及不同管径时微火焰的熄灭及吹熄极限。CHAO等[74]对静止空气中的甲烷（CH4）非预混微射流火焰燃烧特性进行了实验及数值研究，获得了不同管径条件下不同燃料流量时火焰形态、高度及熄灭流量（维持火焰的最小燃料流量），如图33所示。NAKAMURA等[75]采用一步化学反应机理对静止空气中CH4非预混微射流火焰的熄灭特性进行了数值研究，得到了不同管径时定壁温和绝热壁面下的火焰熄灭极限，结果如图34所示。NAKAMURA

图32 色彩经过处理后C3H8微射流火焰形态照片[73]Fig.32 False-color images of C3H8 micro-jet flames supported on a micro nozzle[73]

图33 不同管径时接近熄灭极限时火焰形态照片[74]Fig.33 Photographs of flames just above quenching limit for different tube diameters[74]

等[76]通过实验研究了壁面材料及空气温度对CH4微射流火焰熄灭特性的影响，结果表明高导热系数材料会提高火焰的熄灭极限流量（图35），而提高预热空气温度可有效降低火焰的熄灭极限流量（图36）。

图34 绝热和常温壁面条件熄灭流速与管径关系[75]Fig.34 Extinction-limit curve predicted by one-step reaction model with cooled and adiabatic wall conditions[75]

图35 最小燃料流量与喷管材料导热率关系（Tair=298 K）[76]Fig.35 Relationship between minimum fuel flow rate and thermal conductivity of burner wall (Tair=293 K)[76]

图36 最小燃料流量与助燃空气温度的关系[76]Fig.36 Relationship between the limiting value of fuel flow rate and the imposed preheated-air temperature[76]

CHENG等[77]采用详细化学反应机理对近熄灭极限的CH4微射流火焰结构及稳定机理进行了数值研究。计算结果表明，靠近熄灭极限时，火焰和喷管间存在一段距离，燃料与氧化剂在这一区域内发生了混合。甘云华等[78]对自蒸发乙醇微射流火焰进行了实验及数值研究，得到了不同燃料流量下的火焰高度，分析了自由空间及受限空间两种条件对微射流火焰燃烧特性的影响。

本研究室的赵黛青等早期也对非预混微射流火焰进行了实验及数值研究，对火焰结构、管径的影响等问题进行了一系列探讨，揭示了双层火焰面结构的稳燃特性[79-82]。近期，本研究室采用 OH-PLIF测试技术以及考虑火焰与管壁间热耦合效应的数值计算，对甲烷非预混微射流火焰燃烧特性进行了研究[83-85]。结果显示，随着燃料流速降低，CH4微射流火焰会出现四种典型的火焰形态：层流推举火焰、定置火焰、半球形火焰和伞状火焰（图37）。数值计算得到的温度分布表明火焰和微管间存在显著的热耦合效应（图38），该效应对火焰的作用取决于火焰的形态。对于定置火焰和半球火焰，火焰主要加热外壁面和端面，管内燃料则通过内壁面吸收火焰热量，因此，火焰和微管的耦合效应对火焰燃烧有促进作用；对于伞状火焰，火焰主要通过端面加热微管，微管吸收的热量通过内外两个壁面散失，这时火焰和管壁间热耦合对火焰燃烧的正负作用同时存在。

高健等[86]采用二维数值计算研究了不同壁面导热系数及壁厚条件下CH4微射流火焰和微管间热耦合效应。结果表明，回流热量和散失热量的比例随着燃料射流速度的增大而不断增加，并且存在一个临界速度使得热回流和热损失达到平衡，而临界速度由壁面导热系数及厚度决定。

图37 不同流速下典型火焰形态[85]Fig.37 Direct images of micro-jet flames at different fuel flow velocities[85]

图38 不同流速下管内固体温度分布：（a）5 m/s；（b）2.5 m/s；（c）1.2 m/s；（d）0.8 m/s[85]Fig.38 Computational temperature distributions of solid tube at different fuel flow velocities: (a) 5 m/s;(b) 2.5 m/s;(c) 1.2 m/s;(d) 0.8 m/s[85]

CHENG等[87]采用紫外拉曼散射及激光诱导荧光技术测量了H2非预混微射流火焰内重要组分及自由基的分布。SUNDERLAND等[88]对倒置微射流火焰燃烧特性进行了实验研究（图39），发现在空气和 O2中可分别获得最小理论燃烧功率为 0.46 W和0.25 W的微火焰。

图39 在空气（左）及O2（右）中靠近熄灭极限H2微火焰照片[88]Fig.39 Images of hydrogen jet flames near their quenching limits in air (left) and in O2(right)[88]

HOSSAIN等[89]采用数值计算研究了H2微火焰燃烧特性，其数值研究采用了详细化学反应机理并考虑了火焰和管壁间热耦合效应。数值计算结果表明微管的出口部分被火焰加热，火焰的热量可以传递到燃料，因此可以增强火焰内的化学反应。

高健等[90]对H2微射流火焰进行了数值研究，计算结果表明H2微火焰根部会一直附着在微管壁面。详细的分析表明，H+O2+M → HO2+M 这一基元反应对于火焰根部反应活性具有重要影响，同时该反应具有负温度依赖效应，因此会造成火焰根部放热率随温度降低而增大。

图40 不同流速下 H2微射流火焰照片：（a）10 m/s；（b）5 m/s；（c）2.5 m/s；（d）1 m/s[92]Fig.40 Flame images of hydrogen micro-jet flames at different fuel velocities: (a) 10 m/s;(b) 5 m/s;(c) 2.5 m/s;(d) 1 m/s[92]

图41 不同流速下H2微射流火焰OH-PLIF图像[92]Fig.41 OH-PLIF images of hydrogen micro-jet flames at different fuel flow velocities[92]

本研究室张京等[91-92]也对H2微射流火焰的燃烧特性进行了实验（图40）及数值研究（图41），获得了不同H2流量下的火焰形态、OH·分布、火焰结构等特性。结果表明，由于H2的密度较小而扩散及燃烧速度较快，O2可穿过反应区到达管口附近，当微管的管径较大时火焰会向管口靠近，因此在靠近熄灭极限时H2微火焰与微管间的热耦合效应不同于CH4微火焰。本研究室还采用OH-PLIF对H2微射流火焰熄灭特性进行了测量，同时借助考虑详细化学反应机理的数值计算系统地分析了H2微射流火焰熄灭机理。

3 总结与展望

基于燃烧的微型能源动力系统可以直接输出功、热量或电流，理论上具有体积小、续航时间长等具有诸多优势。然而由于微尺度条件下点火、稳燃、材料适应性、密封及润滑等技术壁垒，真正获得高效、高功率输出的微型能源动力系统还需要热工、化学、材料、流动等基础科学问题以及相关技术的共同探索和进步。基于微尺度条件下相关学科的交叉研究，目前已对微尺度下火焰形态及动态特性、壁面材料与微尺度火焰间耦合机制及壁面化学反应、多模态多参数的调控和利用机制等科学问题已经有了一定的认识，但远未成熟。由此带来了很多设计和应用上的难题需要攻克和解决。毫米级别的燃烧器是否是极限？如何更好地在微尺度条件下克服燃料的着火能垒？如何构建最优化的设计理论体系，实现燃烧及其附属设备之间的协调工作？实验室级别的理论研究如何更好更高效地应用于实际？微尺度燃烧系统不仅仅是常规尺度系统的简单缩小，其设计或许需要遵循自身的准则和方法。

虽然存在种种困难及挑战，但对微型动力装置的广泛需求及微尺度燃烧展现的广阔前景依然鼓舞众多学者不断探索及前行。可以预测随着人类综合科技实力的提升，微尺度燃烧的认知将更加系统全面，真正稳定高效的微型燃烧能源动力装置将会实现并得到广泛应用。