狭缝型微型燃烧器的催化燃烧特性研究

摘要

随着便携式计算机、移动通讯、微型火箭等微机械系统技术的迅速发展,装置的微型化与微型系统的研究成为当今研究的重要课题,受到各行各业广泛的关注。目前对微型动力装置的研究越来越多,但核心部件微型燃烧器的性能却有待提高,成为微型动力装置进一步发展的瓶颈。
　　 论文建立微尺度燃烧的数学模型,基于三维计算平台CALC-BFC,运用fortran语言开发出甲烷在狭缝型微型燃烧器内燃烧的三维数值模拟程序。对微燃烧器内甲烷催化燃烧、流动和传热情况进行数值模拟,利用专业绘图软件Tecplot绘制各物理量空间分布图,分析各物理量传递过程与化学反应之间的耦合关系。通过改变入口条件,探讨甲烷入口速度、入口温度及入口浓度等因素对甲烷／空气混合物在微通道催化燃烧的影响。数值计算结果表明,合适的甲烷入口速度、气体入口温度、入口甲烷摩尔浓度是实现甲烷稳定高效燃烧的主要因素。
　　 甲烷的转化效率随进口速度的增加降低较明显,而化学反应速度,底面的热流密度等受气体入口速度影响较小。气体入口温度方面,在Pt的催化作用有效温度范围内,甲烷的转化效率基本保持不变。化学反应速率,底面热流密度及燃烧器内温度分布等受气体入口温度影响较大。此外,微燃烧器中,入口甲烷摩尔浓度的增加,也会使得甲烷转化效率、化学反应速度、多孔介质层温升及热流密度相应提高。研究证明,为微型燃烧器达到较高的甲烷转化效率、较低的多孔介质温升、适宜大小的化学反应速率与热流密度,应选择较小的气体入口速度,最佳适宜气体入口温度为973K,入口甲烷浓度为0.6％时最合适。
　　 本文研究结果对微型燃烧器的结构开发与工艺参数设计具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题理论基础

1.2.1 微型燃烧器及其分类

1.2.2 微型燃烧器中燃烧的特性

1.2.3 微尺度催化燃烧技术

1.2.4 数值模拟技术

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究应用现状

1.3.2 国内微型燃烧器的研究现状

1.4 本论文的研究内容

2 数学模型

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 物性参数

2.2.2 源项

2.3 边界条件

3 催化反应机理和数值方法

3.1 催化反应机理

3.2 数值方法

3.2.1 数值方法的选择

3.2.2 区域的离散

3.2.3 方程的离散

3.2.4 离散方程的求解

3.3 程序验证

4 催化燃烧影响因素的数值模拟结果和分析

4.1 传递过程及化学反应耦合机理

4.1.1 流场速度分布分析

4.1.2 组分浓度分析

4.1.3 化学动力学分析

4.1.4 温度场与传热分析

4.2 甲烷入口速度对燃烧特性的影响

4.2.1 催化转化效率

4.2.2 化学反应速率

4.2.3 温度、热流密度分布

4.2.4 小结

4.3 甲烷入口温度对燃烧特性的影响

4.3.1 催化转化效率

4.3.2 化学反应速率

4.3.3 温度、热流密度分布

4.3.4 小结

4.4 甲烷入口浓度对燃烧特性的影响

4.4.1 催化转化效率

4.4.2 化学反应速率

4.4.3 温度、热流密度分布

4.4.4 小结

5 总结和建议

5.1 总结

5.2 后续工作的建议

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历