甲烷在微燃烧器内催化燃烧的数值模拟

【摘要】：微型动力系统是动力机械发展的第四个里程碑,在国防和经济建设中具有广泛的应用前景,将给现代社会带来重大而深远的影响。国内外已经相继开展了对它的研究工作,但研究的重点大都着重于技术和工艺问题,在制约系统成败的关键问题,特别是如何实现微尺度燃烧等问题上的研究仍没有突破性的进展。近年来,燃烧工作者已经越来越清楚的认识到对微尺度燃烧进行研究的必要性,尤其是甲烷的微尺度催化燃烧,到目前为止,国内还没有其他单位开展过这方面的研究。本文将对甲烷的微尺度催化燃烧进行数值模拟,比较系统的研究空间反应、流动速度、催化壁面温度、壁面换热条件以及燃料当量比等因素对甲烷催化反应过程的影响;对逆流换热型微燃烧器提出了“对不同的壁面采用不同导热性能的材料”的改进方案,并通过数值模拟对采用改进方案前后的催化燃烧情况进行了分析和比较。 本文第一部分对管道型微燃烧器中的甲烷微尺度催化燃烧进行了数值模拟,比较系统的研究了相关因素对催化过程的影响,得出:热量散失的状况是整个催化燃烧能否维持的决定性因素,外壁散热系数过大时催化燃烧将无法维持;甲烷当量比是影响催化燃烧的主要因素,随着当量比的增加,甲烷转化率和转化速度出现先增加后降低的趋势;壁面温度是影响催化燃烧的重要因素,温度升高,甲烷转化率和转化速度增加;在催化表面温度足够高的前提下,增加混气入口速度,会提高甲烷转化率与转化速度;在空间反应可以忽略的尺度范围内,管道半径的增大会使甲烷表面催化燃烧的转化速度降低,并且减小甲烷转化率;在微尺度条件下,空间反应很难发生;在考虑表面催化反应时,空间反应可以忽略。而且,表面催化反应对空间反应有一定的抑制作用。 本文第二部分对逆流换热型微燃烧器中的甲烷微尺度催化燃烧进行了数值模拟,得到:逆流换热型燃烧器中增强换热与增大温差之间的矛盾可以通过“对不同的壁面采用不同导热性能的材料”的方案得到解决。在理想状态下,燃料燃烧产生的热量能够全部回收,壁面两端最大温差能够提高一个数量级。 【关键词】：催化反应 微尺度 微燃烧器 数值模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK174
【目录】：

• 中 文 摘 要3-4
• ABSTRACT4-6
• 目 录6-8
• 第一章 引 言8-31
• 1.1 课题背景8-18
• 1.1.1 关于微型动力系统8-9
• 1.1.2 在微型动力系统中碳氢燃料所具有的优势以及存在的问题9-10
• 1.1.3 关于催化燃烧10-13
• 1.1.4 关于微尺度催化燃烧13-14
• 1.1.5 表面催化与微型动力系统的结合与发展14-17
• 1.1.6 用数值方法模拟催化燃烧17-18
• 1.2 文献综述18-30
• 1.2.1 管道型微燃烧器中催化燃烧的数值模拟18-22
• 1.2.2 过量焓燃烧器中催化燃烧的数值模拟22-28
• 1.2.3 复杂结构下的实验结果28-30
• 1.3 本论文的主要工作30-31
• 第二章 甲烷微尺度催化燃烧的模型31-42
• 2.1 物理模型31-32
• 2.1.1 管道型微燃烧器的物理模型31
• 2.1.2 逆流换热型微燃烧器的物理模型31-32
• 2.2 数学模型32-34
• 2.3 反应动力学模型34-42
• 第三章 管道型微燃烧器模型的模拟结果与分析42-57
• 3.1 空间反应对表面催化反应的影响42-44
• 3.2 温度对甲烷催化转化的影响44-46
• 3.3 当量比对甲烷催化转化的影响46-47
• 3.4 有关甲烷转换率的讨论47-49
• 3.5 入口速度对甲烷催化转化的影响49-51
• 3.6 管道半径甲烷催化转化的影响51-54
• 3.7 壁面散热对甲烷催化转化的影响54-57
• 第四章 逆流换热型微燃烧器模型的模拟结果与分析57-70
• 4.1 壁面导热性能对甲烷催化转化的影响57-63
• 4.2 反应组分的分布情况分析63-67
• 4.3 外壁散热对甲烷催化转化的影响67-70
• 第五章 结论与建议70-72
• 5.1 结论70-71
• 5.2 建议71-72
• 参考文献72-75
• 致 谢75
• 声 明75-76
• 个人简历76

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