微通道內(nèi)甲烷催化燃燒的數(shù)值模擬研究

【摘要】： 隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)日新月異的迅速發(fā)展,微器件對許多領(lǐng)域的影響日趨明顯,裝置的微型化與微型系統(tǒng)的研究已成為當今研究的重要課題。近年來,國內(nèi)外科研機構(gòu)相繼開展了微動力機電系統(tǒng)和微發(fā)動機的研究工作。 通過分析微燃燒器內(nèi)影響碳氫燃料穩(wěn)定燃燒和催化燃燒效率的關(guān)鍵控制條件和因素,對微燃燒器進行了設計計算,并采用電火花加工技術(shù)對微燃燒器進行了加工。對微燃燒器內(nèi)甲烷/空氣混合物的燃燒情況進行了數(shù)值模擬研究,探討空間反應、當量比、溫度及質(zhì)量流量等因素對甲烷/空氣混合物在微燃燒器內(nèi)催化燃燒的影響。 數(shù)值計算結(jié)果表明,溫度是影響環(huán)形微細腔內(nèi)甲烷催化燃燒的主要因素。隨著壁面溫度的提高,甲烷轉(zhuǎn)化效率均提高。在不同甲烷當量比的情況下,溫度對甲烷催化燃燒影響程度不同。甲烷當量比越低,溫度的提高對甲烷轉(zhuǎn)化率的促進作用就越明顯。因此,在保證催化劑不失效的情況下,應盡量采取措施提高催化壁面的溫度。 合適的甲烷當量比是實現(xiàn)甲烷穩(wěn)定高效燃燒的關(guān)鍵性因素。隨著甲烷當量比的增加,甲烷轉(zhuǎn)化率呈先增加后降低的趨勢,即存在最佳甲烷當量比。最佳甲烷當量比隨壁面溫度升高而減小。為獲得最佳甲烷轉(zhuǎn)化效率,微燃燒器的甲烷當量比應控制在0.8～1.0范圍內(nèi)較為合理。 甲烷轉(zhuǎn)化率隨甲烷質(zhì)量流量的增加而降低。甲烷質(zhì)量流量的增加使混合氣體的總質(zhì)量流量增加,從而使混氣體的流速增加,會大大減小燃料混和氣與催化表面的接觸時間,使表面反應不能充分進行。 在微尺度條件下,表面反應對甲烷轉(zhuǎn)化率的貢獻大約是空間反應的150倍,空間反應可以忽略。在耦合反應時,混合氣體很快向催化表面擴散,空間中燃氣濃度降低,空間反應發(fā)生的難度增加,即表面反應對空間反應有一定的抑制作用。在文中微燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸,催化壁面溫度為1200K、甲烷的質(zhì)量流量為6.5g/h以及甲烷當量比為0.8的情況下,甲烷催化轉(zhuǎn)化效率可達95%。 【關(guān)鍵詞】：微型燃燒器 甲烷 催化燃燒 數(shù)值模擬
【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
• ABSTRACT4-8
• 主要符號表8-9
• 1 緒論9-21
• 1.1 論文研究背景及課題來源9-10
• 1.2 課題理論基礎(chǔ)10-15
• 1.2.1 碳氫燃料微型動力系統(tǒng)的特性10
• 1.2.2 催化燃燒10-13
• 1.2.3 微尺度催化燃燒13-14
• 1.2.4 數(shù)值方法模擬催化燃燒14-15
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3.1 微型發(fā)動機研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.2 微通道甲烷催化燃燒研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容20-21
• 2 微燃燒器的物理模型和數(shù)學模型21-34
• 2.1 微尺度條件下的流動特性21-22
• 2.2 微尺度條件下的燃燒穩(wěn)定性分析22-24
• 2.2.1 停留時間的影響22-23
• 2.2.2 散熱的影響23-24
• 2.2.3 熄火距離的影響24
• 2.3 微型發(fā)動機的設計與加工24-29
• 2.3.1 甲烷空氣入口位置25-26
• 2.3.2 燃料入口直徑26
• 2.3.3 預混旋流槽道26-27
• 2.3.4 甲烷催化劑27-28
• 2.3.5 微燃燒器加工技術(shù)28-29
• 2.4 物理模型29-30
• 2.5 數(shù)學模型30-34
• 2.5.1 控制方程30-31
• 2.5.2 邊界條件31-32
• 2.5.3 反應動力學模型32-34
• 3 結(jié)果與分析34-57
• 3.1 求解方法34-35
• 3.1.1 網(wǎng)格劃分34-35
• 3.1.2 方程的離散化及求解35
• 3.2 空間反應的影響35-36
• 3.3 當量比的影響36-44
• 3.3.1 催化轉(zhuǎn)化效率36-38
• 3.3.2 流場分布38-40
• 3.3.3 甲烷濃度分布40-44
• 3.4 壁面溫度的影響44-51
• 3.4.1 催化轉(zhuǎn)化效率44-46
• 3.4.2 流場分布46-47
• 3.4.3 甲烷濃度分布47-49
• 3.4.4 溫度分布49-51
• 3.5 甲烷質(zhì)量流量的影響51-55
• 3.5.1 催化轉(zhuǎn)化效率51-52
• 3.5.2 流場分布52-54
• 3.5.3 甲烷濃度分布54-55
• 3.6 小結(jié)55-57
• 4 總結(jié)及建議57-59
• 4.1 結(jié)論57-58
• 4.2 后續(xù)工作的建議58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-64
• 附錄：作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文目錄64

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