微通道内甲烷催化燃烧的数值模拟研究

【摘要】： 随着微电子机械系统(MEMS)技术日新月异的迅速发展,微器件对许多领域的影响日趋明显,装置的微型化与微型系统的研究已成为当今研究的重要课题。近年来,国内外科研机构相继开展了微动力机电系统和微发动机的研究工作。 通过分析微燃烧器内影响碳氢燃料稳定燃烧和催化燃烧效率的关键控制条件和因素,对微燃烧器进行了设计计算,并采用电火花加工技术对微燃烧器进行了加工。对微燃烧器内甲烷/空气混合物的燃烧情况进行了数值模拟研究,探讨空间反应、当量比、温度及质量流量等因素对甲烷/空气混合物在微燃烧器内催化燃烧的影响。 数值计算结果表明,温度是影响环形微细腔内甲烷催化燃烧的主要因素。随着壁面温度的提高,甲烷转化效率均提高。在不同甲烷当量比的情况下,温度对甲烷催化燃烧影响程度不同。甲烷当量比越低,温度的提高对甲烷转化率的促进作用就越明显。因此,在保证催化剂不失效的情况下,应尽量采取措施提高催化壁面的温度。 合适的甲烷当量比是实现甲烷稳定高效燃烧的关键性因素。随着甲烷当量比的增加,甲烷转化率呈先增加后降低的趋势,即存在最佳甲烷当量比。最佳甲烷当量比随壁面温度升高而减小。为获得最佳甲烷转化效率,微燃烧器的甲烷当量比应控制在0.8～1.0范围内较为合理。 甲烷转化率随甲烷质量流量的增加而降低。甲烷质量流量的增加使混合气体的总质量流量增加,从而使混气体的流速增加,会大大减小燃料混和气与催化表面的接触时间,使表面反应不能充分进行。 在微尺度条件下,表面反应对甲烷转化率的贡献大约是空间反应的150倍,空间反应可以忽略。在耦合反应时,混合气体很快向催化表面扩散,空间中燃气浓度降低,空间反应发生的难度增加,即表面反应对空间反应有一定的抑制作用。在文中微燃烧器结构尺寸,催化壁面温度为1200K、甲烷的质量流量为6.5g/h以及甲烷当量比为0.8的情况下,甲烷催化转化效率可达95%。 【关键词】：微型燃烧器 甲烷 催化燃烧 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符号表8-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 论文研究背景及课题来源9-10
• 1.2 课题理论基础10-15
• 1.2.1 碳氢燃料微型动力系统的特性10
• 1.2.2 催化燃烧10-13
• 1.2.3 微尺度催化燃烧13-14
• 1.2.4 数值方法模拟催化燃烧14-15
• 1.3 国内外研究现状15-20
• 1.3.1 微型发动机研究现状15-18
• 1.3.2 微通道甲烷催化燃烧研究现状18-20
• 1.4 本文主要研究内容20-21
• 2 微燃烧器的物理模型和数学模型21-34
• 2.1 微尺度条件下的流动特性21-22
• 2.2 微尺度条件下的燃烧稳定性分析22-24
• 2.2.1 停留时间的影响22-23
• 2.2.2 散热的影响23-24
• 2.2.3 熄火距离的影响24
• 2.3 微型发动机的设计与加工24-29
• 2.3.1 甲烷空气入口位置25-26
• 2.3.2 燃料入口直径26
• 2.3.3 预混旋流槽道26-27
• 2.3.4 甲烷催化剂27-28
• 2.3.5 微燃烧器加工技术28-29
• 2.4 物理模型29-30
• 2.5 数学模型30-34
• 2.5.1 控制方程30-31
• 2.5.2 边界条件31-32
• 2.5.3 反应动力学模型32-34
• 3 结果与分析34-57
• 3.1 求解方法34-35
• 3.1.1 网格划分34-35
• 3.1.2 方程的离散化及求解35
• 3.2 空间反应的影响35-36
• 3.3 当量比的影响36-44
• 3.3.1 催化转化效率36-38
• 3.3.2 流场分布38-40
• 3.3.3 甲烷浓度分布40-44
• 3.4 壁面温度的影响44-51
• 3.4.1 催化转化效率44-46
• 3.4.2 流场分布46-47
• 3.4.3 甲烷浓度分布47-49
• 3.4.4 温度分布49-51
• 3.5 甲烷质量流量的影响51-55
• 3.5.1 催化转化效率51-52
• 3.5.2 流场分布52-54
• 3.5.3 甲烷浓度分布54-55
• 3.6 小结55-57
• 4 总结及建议57-59
• 4.1 结论57-58
• 4.2 后续工作的建议58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-64
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录64

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