微尺度燃烧条件下常用碳氢燃料反应机理的简化

摘要

伴随着微机电系统的蓬勃发展，对高功率、长寿命电力供给单元的需求日益迫切。基于微尺度燃烧的动力系统以其能量密度高、成本低、污染小等优点得到了广泛关注，其核心是微尺度下碳氢燃料的燃烧过程。为了能尽可能准确而快速地模拟微尺度燃烧过程，亟需能体现微尺度燃烧特性的简化反应机理。
　　但目前的简化机理大多是针对常规尺寸的燃烧而简化的，在反应尺度和滞留时间上与微尺度燃烧有很大区别。基于这一背景，本文面向微尺度燃烧的特点对常用碳氢燃料的详细反应机理进行简化。
　　论文先对反应机理简化的意义和简化方法进行了阐述，并重点介绍了基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法，后基于微尺度燃烧条件利用这两种方法对常用碳氢燃料预混合燃烧的反应机理进行了简化。
　　首先，对氢气/氧气燃烧的详细反应机理进行了简化。由于采用的方法不同，分别得到12步简化机理和17步简化机理，并将它们和详细反应机理分别用于PSR模型进行计算和对比分析，结果表明，综合使用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法得到的简化机理（17步）的计算结果更接近详细机理。
　　其次，对甲烷与氧气反应的详细机理进行了简化。简化时，选择GRI-Mech3.0作为详细机理，分别采用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法进行简化。前者获得了10组分19步的简化机理。应用PSR模型对简化机理的适用范围进行验证，结果表明，简化机理能在当量比0.5~1.6范围内预测温度和关键组分。后者简化得到19组分38步机理。通过对比简化机理和详细机理的PSR模型和层流预混火焰模型的计算结果，得出的最大误差不超过10％。应用PSR模型对38步简化机理的适用范围进行验证，结果表明，简化机理适用于体积为0.1cm3~0.8cm3的燃烧器，且在当量比0.5~1.5范围内，简化机理与详细机理吻合度均较高。
　　再次，采用敏感性分析法对甲烷与空气反应的详细机理进行了简化。并且与甲烷和氧气反应的简化机理类似，对甲烷和空气反应的简化机理的适用范围进行了验证。
　　本文也采用实验和模拟相结合的方法对简化机理进行了验证。利用Fluent软件对简化机理进行计算，所得的结果和实验数据较为一致，最大误差不超过4%，进一步证明了简化机理的准确性。
　　文章最后对简化机理在催化燃烧中的适用性进行了研究。利用 PSR模型，分别使用17步氢氧气相简化机理和38步甲烷/氧气气相简化机理与各自的表面机理进行耦合计算，并和详细机理耦合计算的结果进行比较，结果表明，使用简化机理时的温度和关键组分的值都和使用详细机理时接近，最大误差不超过6%。

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第一章 绪论

1.1 微动力系统的概况

1.2 微尺度燃烧的研究概况

1.3 机理简化的研究概况

1.4 本文主要的研究内容

第二章 计算模型及机理简化方法

2.1 Chemkin软件简介

2.2 基于误差传播的直接关系图法

2.3 敏感性分析法

2.4 Fluent软件简介

2.5 本章小结

第三章 微尺度条件下H2/O2反应机理的简化

3.1 计算模型

3.2 计算结果与分析

3.3 简化机理的验证

3.4 实验验证

3.5 本章小结

第四章 微尺度条件下CH4/O2反应机理的简化

4.1 计算模型与边界条件

4.2基于DRGEP法的简化结果分析

4.3 基于敏感性分析法的简化结果分析

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第五章 微尺度条件下CH4/Air反应机理的简化

5.1计算模型与边界条件

5.2基于敏感性分析的简化结果分析

5.3 简化机理的验证

5.4 简化机理在Fluent中的应用

5.5实验验证

5.6本章小结

第六章 气相简化机理与表面反应机理的耦合计算

6.1 微通道内H2/O2耦合反应的数值模拟

6.2 微通道内CH4/O2耦合反应的数值模拟

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文

硕士期间申请的专利