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甲烷微尺度催化燃烧的数值模拟

l引 言 在微尺度燃烧中,由于燃烧器尺度的减小,散热表面积与体积的比值变得很大。这导致散热速率与燃料燃烧的放热速率的比值很大,从而导致火焰传播速度减小,甚至灭火。因此,微尺度条件下,为了保持燃料的稳定燃烧,需要采取一些特殊措施,如提高反应混合物的初始温度,或使用表面催化燃烧等。但是当燃料一空气混合物的当量比很小时,要通过提高反应物温度达到稳定燃烧是很困难的(尤其在微尺度下),甚至是不可能的。在这种情况下,表面催化燃烧就几乎成为唯一的选择。 催化燃烧包括一系列重要过程: (1)反应物从气相向催化剂表面扩散; (2)反应物吸附到催化剂表面;(3)被吸附组分的移动;(4)催化剂表面上的反应;(5)反应产物从表面上解吸;(6)燃烧产物从催化剂表面向空间扩散等。根据反应工况条件的不同,它们每一个过程都可能成为催化燃烧的速率控制步。本文联合使用FLuENq?【’J和DETCH EMH数值模拟了甲烷/空气混合物在通道宽度为1 mm、长为10 ...  (本文共4页) 阅读全文>>

清华大学
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甲烷在微燃烧器内催化燃烧的数值模拟

微型动力系统是动力机械发展的第四个里程碑,在国防和经济建设中具有广泛的应用前景,将给现代社会带来重大而深远的影响。国内外已经相继开展了对它的研究工作,但研究的重点大都着重于技术和工艺问题,在制约系统成败的关键问题,特别是如何实现微尺度燃烧等问题上的研究仍没有突破性的进展。近年来,燃烧工作者已经越来越清楚的认识到对微尺度燃烧进行研究的必要性,尤其是甲烷的微尺度催化燃烧,到目前为止,国内还没有其他单位开展过这方面的研究。本文将对甲烷的微尺度催化燃烧进行数值模拟,比较系统的研究空间反应、流动速度、催化壁面温度、壁面换热条件以及燃料当量比等因素对甲烷催化反应过程的影响;对逆流换热型微燃烧器提出了“对不同的壁面采用不同导热性能的材料”的改进方案,并通过数值模拟对采用改进方案前后的催化燃烧情况进行了分析和比较。本文第一部分对管道型微燃烧器中的甲烷微尺度催化燃烧进行了数值模拟,比较系统的研究了相关因素对催化过程的影响,得出:热量散失的状况是整...  (本文共76页) 本文目录 | 阅读全文>>

清华大学
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正丁烷的微尺度催化着火与燃烧

近几十年来,设备的小型化和便携化对高能量密度的动力源的需求越来越强烈。碳氢燃料的质量能量密度要比传统化学能电池高出两个数量级。所以,基于碳氢燃料微尺度燃烧的微小型动力系统是一种可行的电池替代方案。正丁烷是一种液气态碳氢燃料,它仅需0.21Mpa就能实现液化,储存简便。当采用催化燃烧时,正丁烷还有低温催化燃烧的特性。这些特点,都使得正丁烷非常适合应用在基于燃烧的微动力系统中。但是目前,对正丁烷的微尺度燃烧的研究还很缺乏。本文以正丁烷为研究对象,讨论了其在微尺度下的催化着火和催化燃烧特性,并将其使用在Swiss-roll燃烧器内,实现稳定燃烧。本文主要内容和结论归纳如下:首先,我们在单管反应器内通过外部加热控温的方式研究了催化剂Pt对于正丁烷热解和燃烧反应的影响。在不同温度下有、无催化剂时的尾气组分的对比表明,Pt催化剂对于正丁烷的热解不发挥作用,但能够促进正丁烷的低温燃烧反应。通过控温我们还测量了不同当量比和雷诺数下的正丁烷催化着...  (本文共98页) 本文目录 | 阅读全文>>

江苏大学
江苏大学

微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程数值模拟

随着微纳米技术研究的不断进步,微动力机电系统(Power MEMS)应运而生。它具有相对微小的体积,较高的能流密度,在当今的工业生产中具有极为广阔的应用前景,是极具军用和民用价值的新技术。微尺度燃烧是随着微机电系统(MEMS)技术的发展,为了满足可携带电子设备的长时间供电和国防上微小型高性能动力源和电源的需求而开展研究的。本文在分析国内外微型发动机的基础上,对微型HCCI自由活塞发动机进行了基础性的研究。自由活塞发动机结构简单,更适合向微型化发展,将均质充量压燃(HCCI)这种新型燃烧方式与微型自由活塞式发动机相结合,不仅可以解决微燃烧室壁面的火焰淬熄问题,同时可以解决HCCI所面临的着火控制难的问题,另外,微型自由活塞发动机的能量转化为电能的效率高。因此,开展基于HCCI燃烧方式的微型自由活塞式发动机的研究,有望突破目前燃烧室尺寸微小化带来的燃烧限制瓶颈,对开发微动力机电装置具有重要意义。(1)建立了理想状态下微型HCCI自由...  (本文共162页) 本文目录 | 阅读全文>>

北京工业大学
北京工业大学

填充泡沫金属的微小燃烧器内催化燃烧特性的研究

微小尺度燃烧面临燃烧不稳定、点火难以及燃烧效率低下等问题,这是制约燃料型微小能量系统发展和应用的关键。本文围绕着如何提高燃烧稳定性和降低燃烧温度,制作了部分填充泡沫金属的微小燃烧器并针对微燃烧器内甲烷/空气预混催化燃烧进行了数值模拟和实验研究。利用Fluent软件,数值研究了多孔介质燃烧和催化燃烧两种技术对微小尺度燃烧过程的影响;构建催化燃烧实验测试系统,对制备的以泡沫金属Ni作为结构基体的贵金属Pd整体催化剂的催化反应活性进行了实验研究。首先,建立了甲烷/空气预混气体的均相燃烧反应模型,对狭缝高度为3mm的通道燃烧气内甲烷的气相燃烧进行了数值模拟,以便将其计算结果作为多孔介质惰性燃烧过程的对比依据。模型采用甲烷-空气两步反应机理来计算燃烧反应过程,数值研究了预混气体入口温度、入口流速、当量比和散热损失对均相燃烧特性的影响。其中入口温度和速度对火焰前沿的位置和形态有重要影响,因为入口温度的高低直接影响了火焰传播速度的快慢,而气体...  (本文共101页) 本文目录 | 阅读全文>>

浙江大学
浙江大学

微型圆管燃烧器内二甲醚催化燃烧的数值模拟

现代便携式电子设备的迅猛发展,需要供电时间长的能源系统与之配合。微型能源系统的能量密度显著提高,可使续航时间大为延长。微型能源系统的核心在于微尺度燃烧。微尺度燃烧不仅可以在便携式电子设备上有很好的运用,而且国防方面也是其重要的应用领域。本论文以二甲醚为研究对象,围绕微圆管内二甲醚催化燃烧特性展开研究,通过CFD模拟的方式,研究了二甲醚在微小尺度内催化燃烧特性、尺寸效应以及催化剂空间密度效应等问题。微型圆管填充床式燃烧器既能实现催化燃烧又能稳定内部流场和温度场,二甲醚燃烧性能较好且污染物排放较低。采用数值模拟这种有效且节约资源的方法,建立微型圆管填充床式燃烧器中二甲醚在Pt上的催化燃烧的模型,并研究利于引起之后气相反应的最优工况。研究表明,流速在0.2-1m/s,当量比小于1时,利于催化段的燃烧;流速大于3m/s,当量比大于3时,利于之后引起气相反应。378-380K为二甲醚在Pt上催化燃烧的着火点。验证了二甲醚在催化剂上的吸附能...  (本文共73页) 本文目录 | 阅读全文>>