微細(xì)尺度下?lián)綒鋵?duì)甲烷燃燒及熄火特性影響的數(shù)值研究

【摘要】：隨著微型裝置及系統(tǒng)如傳感器、微型飛行器、微型醫(yī)療器械、微泵、微型馬達(dá)等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,與其相匹配的能源動(dòng)力裝置已成為制約其發(fā)展的瓶頸,其中微型燃燒器是微電子機(jī)械系統(tǒng)十分理想的動(dòng)力裝置。它以能量密度高、壽命長(zhǎng)、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),受到了研究者的重視。但燃燒器的尺寸縮小到厘米級(jí)或毫米級(jí)后,其表面散熱損失的影響急劇增大,燃料在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間顯著縮短,很多情況下燃燒室的特征尺寸小于火焰的熄火距離,這些都使得在微尺度燃燒器內(nèi)維持穩(wěn)定、高效燃燒變得非常困難。另外,催化劑常用的貴金屬對(duì)O2的選擇性優(yōu)先于CH4,催化壁面的空位活性中心將會(huì)優(yōu)先被O2所占據(jù),這將會(huì)導(dǎo)致CH4吸附與表面反應(yīng)受到抑制。常采用添加少量氫氣的辦法,抑制壁面產(chǎn)生大量的O(s),但摻氫對(duì)燃燒的具體影響機(jī)制尚未有明確答案。因此深入研究微細(xì)尺度下,甲烷催化燃燒的熄火特性與摻氫的作用是十分重要的。本文采用數(shù)值研究的方法,首先對(duì)微通道內(nèi)鉑催化劑表面甲烷的催化燃燒反應(yīng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算,考察了當(dāng)量比、進(jìn)氣速度、催化劑負(fù)載密度等操作條件對(duì)甲烷燃燒的影響。其次,對(duì)壁面材料、厚度及散熱條件對(duì)甲烷燃燒穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。最后考察了摻氫對(duì)甲烷催化燃燒特性的影響,驗(yàn)證了氫氣在甲烷燃燒中的熱作用與化學(xué)作用。數(shù)值研究結(jié)果表明,隨著進(jìn)氣速度的減小,甲烷轉(zhuǎn)化率升高,但是在較小的速度下,燃燒器進(jìn)口處會(huì)出現(xiàn)極大的甲烷反應(yīng)速度,導(dǎo)致此處溫度飛升,造成熱點(diǎn)。另外,當(dāng)負(fù)載密度大于2.72×10-9 mol/cm2時(shí),增加催化劑Pt負(fù)載密度僅增加了燃燒成本,對(duì)甲烷反應(yīng)速度和甲烷轉(zhuǎn)化率基本沒(méi)有影響。因此需要根據(jù)實(shí)際情況多方面考慮,選擇合理的進(jìn)氣速度且Pt的負(fù)載密度應(yīng)該控制在2.72×10-9mol/cm2附近以獲得較高的甲烷轉(zhuǎn)化率。絕熱情況下,導(dǎo)熱系數(shù)越小,壁面的溫度梯度越大,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,這可能導(dǎo)致燃燒器產(chǎn)生裂紋。因此,在壁面材料的選擇時(shí),常使用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料以延長(zhǎng)燃燒器壽命,同時(shí)可以更好地預(yù)熱上游氣體。甲烷燃燒的穩(wěn)定性與導(dǎo)熱系數(shù)及壁厚息息相關(guān),在外壁面絕熱,進(jìn)氣速度為0.35 m/s時(shí),僅只有在/109.3KWb?3????,燃燒才能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)生。摻氫雖然可以使甲烷的燃燒極限拓寬,但在速度小于0.36 m/s時(shí),隨著氫氣的增加,甲烷轉(zhuǎn)化率減小。當(dāng)進(jìn)氣速度較大時(shí),隨著摻氫量的增加甲烷轉(zhuǎn)化率增加,且進(jìn)口速度越大,摻氫對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率的影響越明顯。這主要是由于速度較大時(shí),甲烷在燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間較短,以至于甲烷未充分反應(yīng)就排出了通道。而摻氫可以使燃燒著火位置提前,甲烷有更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間,所以甲烷的轉(zhuǎn)化率提高。氫氣對(duì)甲烷的燃燒不僅有熱作用還有化學(xué)作用,以致O(s)覆蓋率降低,Pt(s)覆蓋率升高,而促進(jìn)甲烷的催化燃燒反應(yīng)。但摻氫量較大時(shí),氫氣對(duì)甲烷燃燒的影響越來(lái)越微弱。這主要是由于摻氫量越大,氫氣的熱作用越明顯,但摻氫量過(guò)大時(shí),化學(xué)作用的影響略有下降,因此出現(xiàn)了摻氫量較大時(shí),氫氣對(duì)甲烷燃燒的影響變?nèi)醯默F(xiàn)象。 【關(guān)鍵詞】：微細(xì)尺度 催化燃燒 熄火極限 摻氫 熱作用 化學(xué)作用
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符號(hào)表9-10
• 1 緒論10-24
• 1.1 課題的研究背景及意義10
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-21
• 1.2.1 微型燃燒器的應(yīng)用11-17
• 1.2.2 微通道內(nèi)催化燃燒的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.3 摻氫對(duì)燃燒的影響19-21
• 1.3 目前研究的不足21-22
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容22-24
• 2 物理、數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法24-32
• 2.1 物理和數(shù)學(xué)模型24-26
• 2.2 反應(yīng)機(jī)理26-27
• 2.3 計(jì)算方法27-28
• 2.4 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證28-30
• 2.4.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證28-29
• 2.4.2 可行性論證29-30
• 2.5 本章小結(jié)30-32
• 3 甲烷催化燃燒特性及熄火特性的研究32-52
• 3.1 操作條件對(duì)甲烷催化燃燒的影響32-41
• 3.1.1 當(dāng)量比的影響32-35
• 3.1.2 進(jìn)口速度的影響35-38
• 3.1.3 催化劑負(fù)載密度的影響38-41
• 3.2 壁面條件對(duì)甲烷催化燃燒熄火特性的影響41-49
• 3.2.1 絕熱條件下，壁面材料及厚度的影響41-46
• 3.2.2 壁面散熱的影響46-49
• 3.3 本章小結(jié)49-52
• 4 摻氫對(duì)甲烷催化燃燒的影響52-68
• 4.1 摻氫對(duì)熄火極限的影響52-55
• 4.2 摻氫對(duì)甲烷燃燒特性的影響55-60
• 4.3 摻氫的熱作用與化學(xué)作用60-66
• 4.4 本章小結(jié)66-68
• 5 結(jié)論與展望68-72
• 5.1 本文主要結(jié)論68-69
• 5.2 后續(xù)研究展望69-72
• 致謝72-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 附錄80
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文80
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目80

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