微型燃燒器內(nèi)甲烷預混催化燃燒的數(shù)值模擬

【摘要】： 隨著微電子機械系統(tǒng)技術的迅速發(fā)展,微器件對許多領域的影響日趨明顯,裝置的微型化與微型系統(tǒng)已成為當今研究的重要課題。近幾年發(fā)展起來的體積在1cm3量級上,能產(chǎn)生約10-100W功率的微型發(fā)動機已引起了世界各國的普遍關注。微型發(fā)動機具有能量密度高、壽命長、體積小、重量輕、結構簡單等優(yōu)點,將對微電子、信息、生物等各個行業(yè)產(chǎn)生巨大的積極影響。 甲烷燃料容易獲得、價格低廉,在未來數(shù)十年內(nèi)將是微型氣體發(fā)動機的主要燃料。微型燃燒器的尺寸較小、散熱速率較大,使常規(guī)空間反應無法穩(wěn)定進行,因此,有必要研究微型燃燒器內(nèi)甲烷預混催化燃燒,為微型發(fā)動機碳氫燃料燃燒技術打下基礎。 微型燃燒器由四層不銹鋼材料采用電火花技術加工而成,主要包括預混腔和燃燒腔兩個腔室。采用連續(xù)介質(zhì)層流有限速率模型二階離散的方法,對三維微型燃燒器內(nèi)各微小復雜流道內(nèi)的催化燃燒、流動和傳熱進行了詳細的數(shù)值模擬計算。研究了預混腔結構、甲烷質(zhì)量流量、過量空氣系數(shù)及壁面邊界條件等因素對甲烷-空氣混合物在微型燃燒器內(nèi)催化燃燒的影響。 數(shù)值模擬計算結果表明,氣體流動為層流,催化燃燒主要在燃燒腔的下壁面進行,表面催化燃燒不同于常規(guī)燃燒,沒有火焰區(qū)域,火焰的溫度分布為層狀。預混腔結構對預混效果有較大影響,但預混腔結構對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響不大。 隨著甲烷質(zhì)量流量的增大,甲烷轉(zhuǎn)化率減小,當壁面溫度較低時,熱負荷先增大后減小,當壁面溫度較高時,熱負荷增大。 過量空氣系數(shù)是微型燃燒器內(nèi)催化燃燒的重要影響因素,甲烷轉(zhuǎn)化率隨過量空氣系數(shù)的增大先增大后減小,存在一個最佳過量空氣系數(shù)。當催化壁面溫度增大時,最佳過量空氣系數(shù)隨之增大;當甲烷質(zhì)量流量增大時,最佳過量空氣系數(shù)隨之減小。 催化壁面溫度是微型燃燒器內(nèi)甲烷催化燃燒的主要影響因素。隨著催化壁面溫度的升高,催化反應速率增大,甲烷轉(zhuǎn)化率迅速提高。 當通入甲烷-氫氣混合燃料時,混合氣體中的氫氣催化反應速率很快,在微型燃燒器燃燒腔內(nèi)基本上完全反應。隨著甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獾陌俜謹?shù)的增大,甲烷組分的轉(zhuǎn)化率減小,甲烷-氫氣整體轉(zhuǎn)化率增大,熱負荷迅速增大。 【關鍵詞】：微型燃燒器 甲烷 預混 催化燃燒 數(shù)值模擬 轉(zhuǎn)化率
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 緒論9-20
• 1.1 課題的背景和意義9-10
• 1.2 微型燃燒器發(fā)展狀況10-17
• 1.2.1 國內(nèi)外研究進展10-14
• 1.2.2 存在的問題14-17
• 1.3 催化燃燒研究進展17-19
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容19-20
• 2 微型燃燒器的物理模型和數(shù)學模型20-24
• 2.1 物理模型20-21
• 2.2 數(shù)學模型21-24
• 3 反應機理和計算方法24-27
• 3.1 反應機理24
• 3.2 計算方法24-27
• 4 催化燃燒影響因素的數(shù)值模擬結果和分析27-62
• 4.1 預混腔結構27-32
• 4.1.1 燃料入口位置27-29
• 4.1.2 燃料入口直徑29-31
• 4.1.3 小結31-32
• 4.2 甲烷質(zhì)量流量32-38
• 4.3 過量空氣系數(shù)38-45
• 4.3.1 甲烷質(zhì)量流量為39/h39-43
• 4.3.2 甲烷質(zhì)量流量為79/h43-45
• 4.3.3 小結45
• 4.4 壁面邊界條件45-54
• 4.4.1 恒壁面溫度45-49
• 4.4.2 恒對流換熱系數(shù)49-54
• 4.4.3 小結54
• 4.5 氫氣濃度54-62
• 4.5.1 反應機理和計算方法55-56
• 4.5.2 模擬結果56-61
• 4.5.3 小結61-62
• 5 結論及建議62-64
• 5.1 主要結論62-63
• 5.2 進一步研究建議63-64
• 致謝64-65
• 參考文獻65-69
• 附錄：作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文目錄69

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