基于响应面方法对三周期极小曲面结构微发电机多因素优化进行的实验研究

《Energy》：Experimental investigation on multi-factor optimization of triply periodic minimal surface structured micro-generators via response surface methodology

　　

摘要

微型发电机的热稳定性较差且效率偏低，这一直是制约其用于高性能便携式及分布式电力系统发展的主要障碍。为此，研究人员开发了一种集成三周期极小曲面金属多孔介质的微型燃烧器，以用于低碳燃料发电机。通过实验与数值模拟，研究了三周期极小曲面结构、氢气添加量、当量比、多孔介质的孔隙率以及轴向位置对燃烧特性和热性能的影响。此外，还运用响应面方法对相关参数进行了优化。研究结果表明，螺旋形三周期极小曲面结构能够通过增强热量循环和气固热传递，从而提升燃烧与辐射性能。另外，将甲烷混合比例与当量比优化为特定值，可显著提高燃烧释放的热量及能量转换效率；而合理选择三周期极小曲面的布置方式，还能进一步提升燃烧室内的热量传递效率及燃烧器的整体热性能。响应面分析还显示，当量比对燃烧器的辐射功率影响最大，其次是甲烷混合比例和长度参数，最终确定的最佳参数组合为当量比1.11、甲烷混合比例20.42%，长度参数9毫米。在最优参数条件下，当反应物流速为489毫升/分钟时，该燃烧器可达到48.32瓦的最大辐射功率。此外，研究还探讨了热光伏应用的可能性，并进行了对比分析。采用InGaAsSb电池的系统可产生3.19瓦的电能，相比燃烧器C1而言，性能提升了26.33%。这些研究成果为提升微型电力系统的热稳定性、能量转换效率及输出功率提供了有效策略。

引言

微电机械系统的发展势头迅猛，推动了其在微型机器人[1,2]、微型发电机[3]以及无人机[4]等领域的应用。然而，由于传统电池的能量密度较低且使用寿命较短，这些微型系统的广泛应用仍受到限制[5]。因此，对于便携式及分布式能源系统而言，紧凑、高效且具有高能量密度的电源愈发重要[6]。基于燃烧的微型电力系统引起了广泛关注，因为碳氢化合物和氢气燃料不仅能量密度高，还能延长系统运行时间[7]。其中，微型热光伏系统因其结构紧凑、燃料选择灵活以及输出功率稳定，被视为极具潜力的候选方案[8]。不过，微型燃烧器较大的表面积与体积比会导致热量流失加剧、反应物在燃烧室内的停留时间缩短，进而降低火焰稳定性[9,10]，这也限制了微型热光伏系统的热效率及其实际应用前景[11]。

为解决微型热光伏燃烧器存在的火焰不稳定、热量损失过大以及能量输出不足等问题，人们一直在致力于燃烧器结构优化[12,13]以及混合动力系统的研究[14]。为提升火焰稳定性与热传递效率，人们提出了多种结构改进方案。例如，刘等人[15]指出Y形燃烧器可通过质量扩散促进甲烷与氧气的混合；万等人[16]设计了带有预热通道的火焰稳定器，以增强火焰稳定性；米格尔-布雷比翁等人[17]则发现圆柱形火焰稳定器的温度会显著影响火焰形态。此外，人们也注重提升燃烧室内的热量循环效果。安萨里等人[18]提出了一种挡板式钝体结构，该结构既能增强热量循环，又能减少污染物排放。李等人[19]进一步研究表明，T形杆可强化甲烷与空气的燃烧反应，从而提升微型热光伏系统的性能；谢伊赫巴格洛等人[20]则展示了在氢燃料微型燃烧器中，热量循环与钝体结构共同作用的效果。燃烧器壁面的热效应也受到了重视，王等人[21]指出，非均匀壁面反应会影响微型通道内的甲烷与空气燃烧过程及热传递效率；高蒂埃和伯格索森[22]则证明，在小型热量循环管中，外部热量流失会显著影响火焰的传播与熄灭过程。这些研究都表明，要提升微型燃烧器的性能，就需要同时调控火焰稳定性、热量循环效果以及热量流失情况。

多孔介质是另一种能够有效提升气固热传递效率及火焰稳定性的解决方案[23,24]。其巨大的比表面积以及相互连通的孔隙网络有助于促进热量循环，提升反应物的预热效果，同时增强火焰的固定效果，进而提高燃烧稳定性与热效率[25,26]。例如，李等人[27]强调了针对紧凑型工程系统，采用精确的表征技术的重要性；许等人[28]对惰性多孔介质中的预混燃烧进行了数值分析；奎耶等人[29]则系统研究了圆柱形多孔介质燃烧器中的甲烷与氧气预混燃烧现象。多孔结构确实能够提升火焰稳定性、热传递效率以及燃烧器的整体热性能。杨等人[30]证实，多孔介质可显著提高燃烧器壁面的温度；倪等人[31]则发现，将多孔介质与环形肋片结合使用，可提升T形微型燃烧器中壁面温度的均匀性以及系统的热力学性能。不过，传统的多孔介质，如金属泡沫和填充床，其孔隙结构通常较为随机且难以精准控制，这给提升火焰稳定性、流动阻力、反应物停留时间以及能量转换效率带来了困难。为克服这些局限，人们开始关注那些结构更为规整的多孔介质，比如三周期极小曲面结构。这种结构可以通过隐式数学函数构建，从而实现对结构形态与孔隙率的精准、可重复控制[32,33]。其连续且相互连通的表面能够形成有序的流体通道，同时提供较大的气固接触面积，进而促进流体混合、热量循环以及气体向壁面的热传递。正是这些独特优势，使得三周期极小曲面结构特别适合用于那些需要对燃烧过程与热传递过程进行精准控制的高性能微型燃烧器。

燃料属性也是影响微型燃烧器燃烧稳定性、热性能以及运行灵活性的另一个关键因素[34,35]。迪亚斯等人[36]总结了微观火焰动力学特性及其对微型电力系统的影响；张等人[37]则证实，含甲烷的火焰传播过程会对压力以及辅助燃料的化学性质敏感。云等人[38]指出，添加氢气可提升燃料的反应活性以及燃烧强度。此外，甲烷具备成熟的基础设施、相对较低的成本以及稳定的能量密度，但其较低的火焰传播速度可能会降低微型燃烧器中的火焰稳定性。相比之下，氢气具有较高的反应活性，且燃烧过程中不会产生碳元素，但其储存与安全方面的难题限制了其实际应用。因此，将甲烷与氢气按一定比例混合使用，便可充分发挥两种燃料的互补优势。普拉利等人[39]证实，添加氢气可增加自由基浓度，加速化学反应进程，同时提升传导热传递效率。由于微型燃烧器的性能会受到多种因素的共同影响，因此采用统计优化方法可以减少实验工作量，并帮助识别出最具影响力的因素。响应面方法已被广泛用于建立响应模型，通过较少的实验次数即可量化各种非线性相互作用。维扎等人[40]总结了响应面方法在能源系统优化中的应用；萨杰迪法尔等人[41]则利用该方法对填充反应器中的多种响应参数进行了建模与优化。程等人[42]以及阿马尔等人[43]进一步证明了响应面方法在分析非线性参数相互作用以及优化工程流程方面的作用。此外，江等人[44]还表明，箱型贝肯设计方法可以减少工艺优化所需的实验次数。总体而言，响应面方法为分析复杂能源系统中各参数的耦合效应以及确定最佳运行条件提供了一种高效的方法。

为提升微型热光伏系统的燃烧稳定性、热性能与电气性能，同时为便携式设备提供高效的能源供应，本研究提出了一种基于三周期极小曲面结构的微型燃烧器，用于甲烷、氢气与空气的预混燃烧。研究对三种典型的三周期极小曲面结构——螺旋形、费舍尔-科赫S形以及利丁诺伊德形进行了实验测试与对比分析，旨在确定最合适的多孔结构形式。随后，通过实验与数值模拟相结合的方式，研究了三周期极小曲面结构的孔隙率、轴向位置、甲烷与氢气的混合比例以及当量比等因素对燃烧特性、壁面温度分布以及燃烧器辐射性能的影响。此外，还运用RSM-BBD方法量化了这些关键设计参数与运行参数之间的耦合效应，最后对优化后的燃烧器在辐射输出及系统电气性能方面进行了评估。这些研究结果不仅为理解三周期极小曲面结构对微型燃烧性能的提升机制提供了理论依据，同时也为高性能微型电力系统的设计与优化提供了实用的指导方向。

章节节选

物理模型与实验装置

在微型燃烧器中引入三周期极小曲面结构作为多孔介质，是一种有效解决微型燃烧固有缺陷的方案。得益于其相互连通的拓扑结构，三周期极小曲面结构能够稳定火焰，增强燃烧室内的热量循环与热传递效率，同时减少热量流失，进而提升燃烧器的热性能与能量利用效率。为构建具有不同拓扑特征的三周期极小曲面模型，

三周期极小曲面结构的影响

内部多孔结构对燃烧过程有着至关重要的影响，它直接决定了火焰的固定效果、热传递效率以及燃烧效率[49]。因此，研究人员在具有不同内部结构的燃烧室内，对甲烷、氢气与空气的预混燃烧进行了实验测试。图5(a)和(b)展示了四种不同类型燃烧器——空腔结构、螺旋形三周期极小曲面结构、费舍尔-科赫S形三周期极小曲面结构以及利丁诺伊德形三周期极小曲面结构——的壁面温度分布情况以及平均温度值。这些燃烧器的具体结构设计如下

结论与展望

为提升微型电力系统的能量转换效率与输出功率，本研究提出了一种基于三周期极小曲面结构的微型燃烧器，用于低碳燃料发电机。通过研究三周期极小曲面结构的设计特点、几何参数以及运行条件对甲烷、氢气与空气燃烧性能及系统输出的影响，最终利用响应面方法确定了最佳参数组合。主要研究结论如下。

• (1)
  三周期极小曲面结构的设计特点以及几何参数，在调控火焰稳定性方面起着至关重要的作用

作者贡献说明

唐成熙：文献综述与编辑、原始稿件撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、实验研究、数据整理。朱建安：文献综述与编辑、原始稿件撰写、实验研究。吴兴琴：文献综述与编辑、原始稿件撰写、实验研究。彭庆国：文献综述与编辑、原始稿件撰写、资源筹备、方法设计、实验研究、资金申请、概念构思。王晓远：文献综述与编辑、原始稿件撰写、

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了黔科合平台ZSYS[2025]013项目的支持。

唐成熙|朱建安|吴兴琴|彭庆国|王晓远

贵州大学机械工程学院，中国贵阳550025