火焰CVD法制备纳米颗粒材料不完全燃烧过程数值模拟

摘要

以工业丙烷、空气为原料，通过不完全燃烧的方法可制备碳黑产品，并可通过改变燃料气和空气的比例，得到不同工况的产品；进而可将纳米碳黑掺杂到纳米二氧化钛中进行改性，使纳米二氧化钛具有更强的光催化能力。本文根据上述的实验工作，对丙烷完全燃烧、不完全燃烧进行数值模拟，以给火焰CVD法制备纳米碳黑及碳黑掺杂纳米二氧化钛的实验提供理论依据。 国内外关于湍流的数值燃烧计算已经有几十年的历史，对于预混、扩散燃烧的研究也相当广泛。但是关于详细化学反应机理的模拟，目前基本上解决了层流燃烧问题。本文将采用自定义标量法，通过对组分传输方程的化学反应速率进行编程，并且修正能量方程由于化学反应释放出的热的源项，结合国外Casimir的丙烷反应机理实验数据，将丙烷燃烧的详细化学反应机理加入到湍流的数值燃烧过程中，与实验结果进行对比。 根据实验测得了乙炔在燃烧过程中大量存在事实，我们采用乙炔碳黑生成假说，对碳黑的成核、表面生长过程进行数值模拟，分析其在碳黑的生成过程中所起到的重要作用，模拟出碳黑的产量并与实验结果进行对比。 本文运用自定义标量法模拟了火焰CVD法制备纳米颗粒材料的燃烧过程，模拟过程大致分为以下几步： 第一步，火焰场的模拟，在不同的近壁面处理条件下(标准壁面函数及非平衡壁面函数)，在Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε三种不同湍流模型下，对工业丙烷/空气火焰CVD法合成纳米碳黑颗粒材料的湍流扩散火焰进行了详细的数值模拟；模拟结果表明，在非平衡壁面函数处理条件下用Standard k-ε湍流模型模拟的火焰场和实验值更接近，因而优先采用，并且模拟了其他三种工况和实验进行对比，模拟的结果和实验相符。 第二步，自定义标量法模拟丙烷燃烧详细反应机理，通过通过把反应组分定义为Fluent程序的自定义标量、化学反应速率作为源项求解质量、动量、能量和组分守恒方程，并用化学反应引起的能量变化修正能量方程。并与一步总包反应(采用EDM模型)进行对比，验证了自定义标量法和所采用的机理的正确性。合理地模拟出了丙烷的燃烧过程，并将火焰的长度、温度、丙烷、氧气以及中间产物(乙炔)的分布与实验数据进行比较。 第三步，采用自定义标量法并结合碳黑乙炔生成假说对丙烷不完全燃烧进行模拟，分析碳黑成核和表面生长过程对于碳黑生成的影响，并将实验中测得的碳黑产量和模拟结果进行对比。

目录

文摘

英文文摘

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引言

1、文献综述：

1.1纳米材料概述

1.1.1纳米材料概念

1.1.2纳米材料特性

1.1.3纳米颗粒的性能

1.1.4纳米材料的制备方法

1.2燃烧和火焰

1.2.1燃料的着火理论

1.2.2火焰传播与稳定

1.2.3燃烧和火焰的应用

1.2.4燃烧和火焰的过程模拟

1.2.5湍流燃烧

1.2.6湍流数值燃烧

1.2.7详细机理数值模拟

1.3碳黑

1.3.1问题的来源

1.3.2碳黑的结构

1.3.3碳黑的性质

1.3.4碳黑的制法

1.3.5碳黑生成机理

1.3.6碳黑生成模拟

1.4本文的主要工作

2、湍流扩散火焰数值模拟

2.1实验概述

2.2湍流数学模型的建立

2.2.1质量守恒方程

2.2.2动量守恒方程

2.2.3能量守恒方程

2.2.4组分守恒方程

2.2.5湍流模型

2.2.6辐射模型

2.2.7化学反应模型

2.3一步火焰模拟计算过程

2.3.1设置求解模型

2.3.2流体材料设置

2.3.3边界条件设置

2.3.3几种湍流模型的对比及选择

2.3.4其他工况的模拟结果

2.4本章小结

3、自定义标量法模拟丙烷燃烧过程

3.1引言

3.2详细化学反应机理模型

3.3化学反应机理

3.3.1化学反应动力学

3.3.2丙烷燃烧机理

3.4自定义标量法模拟

3.4.1求解模型设置

3.4.2流体材料设置

3.4.3源项处理

3.4.4实验数据

3.5结果和讨论

3.5.1工况一模拟结果

3.5.2其他工况的模拟结果

3.6本章小结

4、自定义标量法模拟碳黑生成过程

4.1引言

4.1.1碳黑概述

4.1.2研究意义

4.1.3本章的研究内容

4.2实验制备纳米碳黑的方法

4.2.1实验设备

4.2.2实验方法

4.2.3实验操作参数和结果

4.3碳黑的生成机理

4.4乙炔生成假说

4.3.1颗粒的表面生长

4.3.2颗粒的成核生长

4.5数学模型

4.6结果和讨论

4.6.1工况—模拟结果

4.6.2其他工况的碳黑产量模拟结果

4.7本章小结

结论

参考文献

附录A程序

附录B物质扩散系数

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢