甲烷在微燃燒器內(nèi)催化燃燒的數(shù)值模擬

【摘要】：微型動(dòng)力系統(tǒng)是動(dòng)力機(jī)械發(fā)展的第四個(gè)里程碑,在國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景,將給現(xiàn)代社會(huì)帶來重大而深遠(yuǎn)的影響。國內(nèi)外已經(jīng)相繼開展了對(duì)它的研究工作,但研究的重點(diǎn)大都著重于技術(shù)和工藝問題,在制約系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵問題,特別是如何實(shí)現(xiàn)微尺度燃燒等問題上的研究仍沒有突破性的進(jìn)展。近年來,燃燒工作者已經(jīng)越來越清楚的認(rèn)識(shí)到對(duì)微尺度燃燒進(jìn)行研究的必要性,尤其是甲烷的微尺度催化燃燒,到目前為止,國內(nèi)還沒有其他單位開展過這方面的研究。本文將對(duì)甲烷的微尺度催化燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬,比較系統(tǒng)的研究空間反應(yīng)、流動(dòng)速度、催化壁面溫度、壁面換熱條件以及燃料當(dāng)量比等因素對(duì)甲烷催化反應(yīng)過程的影響;對(duì)逆流換熱型微燃燒器提出了“對(duì)不同的壁面采用不同導(dǎo)熱性能的材料”的改進(jìn)方案,并通過數(shù)值模擬對(duì)采用改進(jìn)方案前后的催化燃燒情況進(jìn)行了分析和比較。 本文第一部分對(duì)管道型微燃燒器中的甲烷微尺度催化燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,比較系統(tǒng)的研究了相關(guān)因素對(duì)催化過程的影響,得出:熱量散失的狀況是整個(gè)催化燃燒能否維持的決定性因素,外壁散熱系數(shù)過大時(shí)催化燃燒將無法維持;甲烷當(dāng)量比是影響催化燃燒的主要因素,隨著當(dāng)量比的增加,甲烷轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);壁面溫度是影響催化燃燒的重要因素,溫度升高,甲烷轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度增加;在催化表面溫度足夠高的前提下,增加混氣入口速度,會(huì)提高甲烷轉(zhuǎn)化率與轉(zhuǎn)化速度;在空間反應(yīng)可以忽略的尺度范圍內(nèi),管道半徑的增大會(huì)使甲烷表面催化燃燒的轉(zhuǎn)化速度降低,并且減小甲烷轉(zhuǎn)化率;在微尺度條件下,空間反應(yīng)很難發(fā)生;在考慮表面催化反應(yīng)時(shí),空間反應(yīng)可以忽略。而且,表面催化反應(yīng)對(duì)空間反應(yīng)有一定的抑制作用。 本文第二部分對(duì)逆流換熱型微燃燒器中的甲烷微尺度催化燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到:逆流換熱型燃燒器中增強(qiáng)換熱與增大溫差之間的矛盾可以通過“對(duì)不同的壁面采用不同導(dǎo)熱性能的材料”的方案得到解決。在理想狀態(tài)下,燃料燃燒產(chǎn)生的熱量能夠全部回收,壁面兩端最大溫差能夠提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 【關(guān)鍵詞】：催化反應(yīng) 微尺度 微燃燒器 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號(hào)】：TK174
【目錄】：

• 中 文 摘 要3-4
• ABSTRACT4-6
• 目 錄6-8
• 第一章 引 言8-31
• 1.1 課題背景8-18
• 1.1.1 關(guān)于微型動(dòng)力系統(tǒng)8-9
• 1.1.2 在微型動(dòng)力系統(tǒng)中碳?xì)淙剂纤哂械膬?yōu)勢(shì)以及存在的問題9-10
• 1.1.3 關(guān)于催化燃燒10-13
• 1.1.4 關(guān)于微尺度催化燃燒13-14
• 1.1.5 表面催化與微型動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)合與發(fā)展14-17
• 1.1.6 用數(shù)值方法模擬催化燃燒17-18
• 1.2 文獻(xiàn)綜述18-30
• 1.2.1 管道型微燃燒器中催化燃燒的數(shù)值模擬18-22
• 1.2.2 過量焓燃燒器中催化燃燒的數(shù)值模擬22-28
• 1.2.3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果28-30
• 1.3 本論文的主要工作30-31
• 第二章 甲烷微尺度催化燃燒的模型31-42
• 2.1 物理模型31-32
• 2.1.1 管道型微燃燒器的物理模型31
• 2.1.2 逆流換熱型微燃燒器的物理模型31-32
• 2.2 數(shù)學(xué)模型32-34
• 2.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型34-42
• 第三章 管道型微燃燒器模型的模擬結(jié)果與分析42-57
• 3.1 空間反應(yīng)對(duì)表面催化反應(yīng)的影響42-44
• 3.2 溫度對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響44-46
• 3.3 當(dāng)量比對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響46-47
• 3.4 有關(guān)甲烷轉(zhuǎn)換率的討論47-49
• 3.5 入口速度對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響49-51
• 3.6 管道半徑甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響51-54
• 3.7 壁面散熱對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響54-57
• 第四章 逆流換熱型微燃燒器模型的模擬結(jié)果與分析57-70
• 4.1 壁面導(dǎo)熱性能對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響57-63
• 4.2 反應(yīng)組分的分布情況分析63-67
• 4.3 外壁散熱對(duì)甲烷催化轉(zhuǎn)化的影響67-70
• 第五章 結(jié)論與建議70-72
• 5.1 結(jié)論70-71
• 5.2 建議71-72
• 參考文獻(xiàn)72-75
• 致 謝75
• 聲 明75-76
• 個(gè)人簡歷76

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