微尺度燃烧过程中表面反应对气相反应的影响

摘要

基于燃烧的微能量系统在能量密度、成本以及环保等方面，相比于传统的化学电池，具有明显的优势和广阔的发展前景，因此越来越受到人们的关注。当微尺度燃烧的特征尺寸小到毫米甚至微米级别，燃烧室的体积非常小，使得内部的气相燃烧出现了一些问题:燃烧室面容比增加使散热损失加剧，燃烧释放的热量不足以维持稳定的燃烧，最终导致火焰容易发生淬熄;燃烧室特征尺寸缩小，使得有利于火焰传播的自由基更容易与壁面碰撞而失活。因此，为了维持燃烧室内的稳定燃烧，必须采用特殊的措施来解决上述气相燃烧出现的问题，采用催化燃烧是其中的一种手段。
　　运用计算流体力学软件Fluent，导入详细的氢氧气相反应动力学机理和表面反应机理，在数值模拟计算模型得到试验结果验证的基础上，对微通道内部的气相燃烧和催化燃烧过程进行了数值模拟分析。研究了三种不同反应类型、催化单元以及入口参数对表面/气相反应的影响，获得了一些具有学术和实际应用价值的结果:
　　(1)表面反应与气相反应在通道内温度分布、热量传递方向、生成产物的分布等方面存在着很大的差异;耦合反应中由于有表面反应的参与，使得其与气相反应之间也存在着一定的差异。耦合反应下，表面反应产生的热量会对气相反应起到促进作用，而表面反应对反应物组分的消耗会对气相反应起到削弱作用。在表面反应对气相反应的影响因素中以表面反应对反应物组分的消耗为主。
　　(2)在布置了催化单元的微通道内，催化单元的布置位置差异只会影响到催化段和下游的气相反应，对上游的气相反应则没有影响。催化单元布置位置越靠近入口，表面反应对气相反应的影响强度越大、影响范围也越广。
　　(3)定义了一个催化面积比θ，用来考查催化单元的大小对微通道内部表面/气相反应的影响。表明表面反应对气相反应的影响随催化面积比的增加而增强，而微通道内的传热温差和OH组分质量分数均随催化面积比的增加而减小。
　　(4)考查了入口参数对微通道内部表面/气相反应的影响。随着入口流速的增大，表面反应的影响会由催化段向下游气相段延伸。表面反应对气相反应的影响随着当量比的增加先增强后减弱。较高的入口温度有利于提高组分扩散强度、降低出口截面平均温度和提高氢气的转化率，增强入口温度对提高传热强度并不明显。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 基于燃烧的微动力系统

1．1．1 化学能转化为电能

1．1．2 化学能转化为机械能

1．1．3 化学能光电转换

1．2 微尺度燃烧的特性

1．3 微尺度催化燃烧

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 微尺度表面／气相耦合反应模型的建立

2．1 物理模型

2．2 数学模型

2．2．1 基本控制方程

2．3 计算方法

2．3．1 物性参数

2．3．2 边界条件

2．4 反应动力学模型

2．5 实验验证

2．6 小结

第三章 表面反应对气相反应的影响分析

3．1 三种反应类型的燃烧特征

3．2 表面反应对气相反应的影响

3．2．1 表面反应对反应物组分的消耗

3．2．2 表面反应释放的热量

3．3 小结

第四章 催化单元对表面／气相反应的影响

4．1 催化单元布置位置的影响

4．2 催化单元大小的影响

4．3 小结

第五章 入口参数对表面／气相反应的影响

5．1 入口流速对表面／气相反应的影响

5．2 入口当量比对表面／气相反应的影响

5．3 入口温度对表面／气相反应的影响

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 建议及展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

硕士期间申请的专利