微细尺度下掺氢对甲烷燃烧及熄火特性影响的数值研究

【摘要】：随着微型装置及系统如传感器、微型飞行器、微型医疗器械、微泵、微型马达等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事等领域越来越广泛的应用,与其相匹配的能源动力装置已成为制约其发展的瓶颈,其中微型燃烧器是微电子机械系统十分理想的动力装置。它以能量密度高、寿命长、体积小、质量轻等优点,受到了研究者的重视。但燃烧器的尺寸缩小到厘米级或毫米级后,其表面散热损失的影响急剧增大,燃料在燃烧室内的停留时间显著缩短,很多情况下燃烧室的特征尺寸小于火焰的熄火距离,这些都使得在微尺度燃烧器内维持稳定、高效燃烧变得非常困难。另外,催化剂常用的贵金属对O2的选择性优先于CH4,催化壁面的空位活性中心将会优先被O2所占据,这将会导致CH4吸附与表面反应受到抑制。常采用添加少量氢气的办法,抑制壁面产生大量的O(s),但掺氢对燃烧的具体影响机制尚未有明确答案。因此深入研究微细尺度下,甲烷催化燃烧的熄火特性与掺氢的作用是十分重要的。本文采用数值研究的方法,首先对微通道内铂催化剂表面甲烷的催化燃烧反应进行了稳态模拟计算,考察了当量比、进气速度、催化剂负载密度等操作条件对甲烷燃烧的影响。其次,对壁面材料、厚度及散热条件对甲烷燃烧稳定性的影响进行了分析。最后考察了掺氢对甲烷催化燃烧特性的影响,验证了氢气在甲烷燃烧中的热作用与化学作用。数值研究结果表明,随着进气速度的减小,甲烷转化率升高,但是在较小的速度下,燃烧器进口处会出现极大的甲烷反应速度,导致此处温度飞升,造成热点。另外,当负载密度大于2.72×10-9 mol/cm2时,增加催化剂Pt负载密度仅增加了燃烧成本,对甲烷反应速度和甲烷转化率基本没有影响。因此需要根据实际情况多方面考虑,选择合理的进气速度且Pt的负载密度应该控制在2.72×10-9mol/cm2附近以获得较高的甲烷转化率。绝热情况下,导热系数越小,壁面的温度梯度越大,从而产生热应力,这可能导致燃烧器产生裂纹。因此,在壁面材料的选择时,常使用导热系数较大的材料以延长燃烧器寿命,同时可以更好地预热上游气体。甲烷燃烧的稳定性与导热系数及壁厚息息相关,在外壁面绝热,进气速度为0.35 m/s时,仅只有在/109.3KWb?3????,燃烧才能持续稳定地发生。掺氢虽然可以使甲烷的燃烧极限拓宽,但在速度小于0.36 m/s时,随着氢气的增加,甲烷转化率减小。当进气速度较大时,随着掺氢量的增加甲烷转化率增加,且进口速度越大,掺氢对甲烷转化率的影响越明显。这主要是由于速度较大时,甲烷在燃烧器内的停留时间较短,以至于甲烷未充分反应就排出了通道。而掺氢可以使燃烧着火位置提前,甲烷有更长的反应时间,所以甲烷的转化率提高。氢气对甲烷的燃烧不仅有热作用还有化学作用,以致O(s)覆盖率降低,Pt(s)覆盖率升高,而促进甲烷的催化燃烧反应。但掺氢量较大时,氢气对甲烷燃烧的影响越来越微弱。这主要是由于掺氢量越大,氢气的热作用越明显,但掺氢量过大时,化学作用的影响略有下降,因此出现了掺氢量较大时,氢气对甲烷燃烧的影响变弱的现象。 【关键词】：微细尺度 催化燃烧 熄火极限 掺氢 热作用 化学作用
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符号表9-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 课题的研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-21
• 1.2.1 微型燃烧器的应用11-17
• 1.2.2 微通道内催化燃烧的研究现状17-19
• 1.2.3 掺氢对燃烧的影响19-21
• 1.3 目前研究的不足21-22
• 1.4 本文主要研究内容22-24
• 2 物理、数学模型及计算方法24-32
• 2.1 物理和数学模型24-26
• 2.2 反应机理26-27
• 2.3 计算方法27-28
• 2.4 数值计算验证28-30
• 2.4.1 网格无关性验证28-29
• 2.4.2 可行性论证29-30
• 2.5 本章小结30-32
• 3 甲烷催化燃烧特性及熄火特性的研究32-52
• 3.1 操作条件对甲烷催化燃烧的影响32-41
• 3.1.1 当量比的影响32-35
• 3.1.2 进口速度的影响35-38
• 3.1.3 催化剂负载密度的影响38-41
• 3.2 壁面条件对甲烷催化燃烧熄火特性的影响41-49
• 3.2.1 绝热条件下，壁面材料及厚度的影响41-46
• 3.2.2 壁面散热的影响46-49
• 3.3 本章小结49-52
• 4 掺氢对甲烷催化燃烧的影响52-68
• 4.1 掺氢对熄火极限的影响52-55
• 4.2 掺氢对甲烷燃烧特性的影响55-60
• 4.3 掺氢的热作用与化学作用60-66
• 4.4 本章小结66-68
• 5 结论与展望68-72
• 5.1 本文主要结论68-69
• 5.2 后续研究展望69-72
• 致谢72-74
• 参考文献74-80
• 附录80
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文80
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目80

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