甲烷在多孔介质中过滤燃烧制取氢气的数值模拟

【摘要】： 近些年，我国经济发展迅速，而能源紧张和结构不合理制约了当前经济的发展。为此我国加快了新能源的开发和现有能源的有效利用。多孔介质中的超绝热燃烧是一种先进的能源利用技术，而氢气是一种极有前途的绿色能源。因此，利用甲烷等气体在多孔介质中的超绝热部分氧化燃烧制取氢气，成为近年来燃烧领域的研究热点之一。 本文对富甲烷气体在多孔介质中的超绝热燃烧作了数值模拟研究，基于气固两相局部非平衡双温度模型建立了甲烷在多孔介质中部分氧化过滤燃烧的一维模型。燃烧计算采用详细化学反应机理GR11.2。着重研究了燃烧的峰值温度，火焰结构和氢气的转化效率；讨论了混合气体入口流速、当量比、及导热系数等参数对燃烧特性的影响。本文的数值模拟结果与Lawrence的实验结果相符合。数值模拟研究得到了如下结论： 1．过滤燃烧系统稳定燃烧过程中，在气体到达燃烧区域以前，固体温度高于混合气体的温度。固体对预混合气体预热。当气体跟固体温度相等时，混合气体发生剧烈反应，气体温度高于固体，开始向多孔介质传热。由于多孔介质相对与混合气体有着非常大的导热系数，多孔介质向上游传热用于预热未燃烧的混合气，表现出明显的超绝热效应。 2．在稳定的过滤燃烧过程中，混合气体和多孔介质的峰值温度受当量比的影响比较大。在富甲烷的条件下，随着当量比的增加，燃烧的峰值温度降低，而产物中H2，CO的摩尔分数增加。作为制氢的反应，甲烷的转化率也随着当量比的增加而增加，但是变化不是很明显。 3．甲烷在多孔介质的重整制氢反应的最大燃烧温度和尾气产物还受多孔介质物性参数和结构参数(导热系数、热损失、孔隙率等)的影响。 【关键词】：多孔介质 超绝热燃烧 甲烷重整 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-23
• 1.1 研究背景和意义8-9
• 1.1.1 我国能源使用现状8-9
• 1.1.2 氢能源的优点9
• 1.2 多孔介质中预混合燃烧的应用9-12
• 1.2.1 多孔介质民用燃烧器9-10
• 1.2.2 多孔介质发动机10-12
• 1.2.3 多孔介质燃料电池12
• 1.3 气体在多孔介质内的燃烧12-15
• 1.3.1 超绝热燃烧12-14
• 1.3.2 气体在多孔介质内燃烧的研究分类14-15
• 1.3.2.1 气体在多孔介质中的催化14
• 1.3.2.2 可燃多孔介质的燃烧14-15
• 1.2.2.3 气体在惰性多孔介质内燃烧15
• 1.4 甲烷在惰性多孔介质中部分氧化重整制氢的综述15-21
• 1.4.1 可燃气体在多孔介中重整的实验研究16-19
• 1.4.2 可燃气体在多孔介质中重整的数值模拟19
• 1.4.3 可燃气体在惰性多孔介质中燃烧的理论计算19-20
• 1.4.4 甲烷燃烧机理的研究20-21
• 1.5 研究的缺陷以及本文的工作21-23
• 第二章 多孔介质内预混合燃烧的数学模型与控制方程23-40
• 2.1 多孔介质中反应流的通用控制方程组24-25
• 2.2 体积平均方法25-31
• 2.2.1 体积平均方法建立控制方程28-29
• 2.2.2 一维层流火焰的假设29-31
• 2.3 辐射模型31-35
• 2.4 反应速率模型35-36
• 2.5 物性参数的选取36-39
• 2.5.1 粘性36-37
• 2.5.2 两种组份的扩散系数37-38
• 2.5.3 热传导系数38-39
• 2.5.4 比热容39
• 2.6 边界条件39-40
• 第三章 甲烷过滤燃烧制氢的数值模拟与分析40-54
• 3.1 Lawrence实验简介40
• 3.2 网格划分40-41
• 3.3 点火模型与收敛判据41
• 3.4 对 FLUENT程序相关模块的修改41-42
• 3.5 计算结果与讨论42-51
• 3.5.1 基本工况模拟结果42-44
• 3.5.2 当量比对甲烷重整反应的影响44-46
• 3.5.3 流速对甲烷重整反应的影响46-47
• 3.5.4 反应机理对计算模拟结果的影响47-49
• 3.5.5 导热系数对计算结果的影响49-50
• 3.5.6 考虑热量损失对计算结果的影响50-51
• 3.6 模拟结果与实验结果对比51-54
• 第四章 总结与展望54-56
• 4.1 全文总结54
• 4.2 展望54-56
• 参考文献56-59
• 附录A 本文利用 C语言编程对FLUENT控制方程的修改59-61
• 致谢61-62

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