四角切向进气微燃烧器提升微热光伏系统外壁温度均匀性的创新研究

为解决微热光伏系统(MTPV)中微燃烧器外壁温度分布不均导致的效率下降问题，重庆大学团队创新性提出四角切向进气微燃烧器(CTMC)设计。研究表明，该结构通过旋流效应使外壁平均温度提升47.93 K，温度标准差(TSD)降低24.15 K，燃烧效率提高1.18%，为微型能源装置寿命延长提供新方案。

　　

在微型机电系统(MEMS)技术迅猛发展的背景下，微型机器人、微型飞行器等设备的能源供给问题日益凸显。微热光伏系统(Micro-Thermophotovoltaic, MTPV)因其高能量密度成为理想选择，但其核心组件微燃烧器面临严峻挑战——燃烧过程中外壁温度分布不均会导致热应力集中，加速材料疲劳，严重制约系统寿命。传统解决方案如催化燃烧、多孔介质燃烧等存在结构复杂或成本高昂的缺陷，而基于旋流效应的结构优化虽有效却多依赖螺旋叶片等复杂构件，与MEMS轻量化需求相悖。

针对这一技术瓶颈，重庆大学研究团队受电厂锅炉切向进气技术启发，在《Fuel》期刊发表创新研究。团队设计出四角切向微燃烧器(Corner Tangential Micro-combustor, CTMC)，通过四个沿虚拟圆周切向布置的进气口产生旋流，取代传统机械式旋流器。研究采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，对比分析传统微燃烧器(Traditional Micro-combustor, TMC)与CTMC的热流分布特性，系统考察切向圆直径(d)和进气质量流量对性能的影响。

物理模型
CTMC采用不锈钢材质，包含2 mm预热段和18 mm燃烧段。关键创新在于四个切向进气口沿直径0.8 mm虚拟圆布置，形成水平与垂直双向气流混合。与传统直通式TMC相比，该结构通过几何诱导旋流实现温度场优化。

综合特性对比
在固定进气流量3.5×10^-5 kg/s条件下，CTMC展现出显著优势：外壁平均温度提升47.93 K，温度标准差(TSD)降低24.15 K至18.96 K，燃烧效率提高1.18%。虽压力损失增加583.19 Pa，但旋流效应使火焰稳定性显著增强，形成更均匀的温度场分布。

切向圆直径影响
研究表明d值增大可使气流更集中贴壁：当d从0.4 mm增至1.0 mm时，压力损失锐减6105.28 Pa，TSD降低96.04 K。这源于更大d值强化了旋流强度，使高温区更均匀覆盖壁面。

质量流量影响
温度均匀性呈现非线性变化：流量从2.5×10^-5 kg/s增至3.5×10^-5 kg/s时TSD改善，但超过3.5×10^-5 kg/s后因未燃燃料排出导致效率下降。最优工况下TSD达18.96 K，较传统结构降低56%。

该研究通过创新性的切向进气设计，实现了不依赖复杂旋流器的温度场优化。CTMC结构简单、成本低廉，其TSD 18.96 K的性能超越多数文献报道（如螺旋结构17.15 K、双进口26.54 K）。研究不仅为MTPV系统寿命延长提供新思路，更开创了"几何诱导旋流"的微燃烧器优化范式。团队特别指出，该设计可避免传统旋流器带来的压损剧增问题，当d=1.0 mm时压损反降6105.28 Pa，这种"增效降耗"特性对微型设备极具实用价值。未来通过进气角度优化与材料改进，有望进一步推动MEMS能源系统的实用化进程。