微通道内腔体结构对甲烷催化燃烧特性影响的数值研究

【摘要】：随着微型机电系统(MEMS)的快速发展,其在生活、航空、生物、军事等工业领域得到了广泛的应用。微型燃烧器作为微动力装置的主要供能系统,对其开发和应用已成为当前研究热点。微燃烧器尺寸的减小,面积/体积比增大,影响了燃烧的稳定性和高效性。催化燃烧是有效稳定微尺度燃烧的方法之一,利用催化剂降低燃料的反应活化能,从而提高燃烧效率。微燃烧室结构对其内的高效稳定燃烧亦有重要影响,但目前对于微通道内壁添加腔体结构的甲烷催化燃烧研究不多,特别是针对凸腔微槽道结构对提高微燃烧稳定性更加少见。因此本文开展存在腔体槽道的微型通道内甲烷的催化燃烧特性研究十分必要。于此,论文采用详细的基元反应机理,首先对微直通道和存在凸腔和凹腔槽道的微通道内甲烷/氧气的催化燃烧进行了数值研究,考察了当量比、进气速度、壁面温度对甲烷燃烧特性的影响。其次针对存在凸腔槽道的微通道,重点研究分析了凸腔槽道的宽长比、深径比、位置以及个数对于甲烷催化燃烧的转化率、燃烧温度以及熄火极限的影响。研究结果表明:①微凸腔槽道更有利于甲烷的微尺度催化燃烧。凸腔燃烧室内,流体流经腔体时局部受阻,流体扰动加剧,增加燃料对内壁面的压力,强化了甲烷与壁面催化剂的接触,促进。同时凸腔燃烧室内,对流换热加强,易形成较大的回流区域,卷吸高温的气体可燃烧温度,也使燃烧室温度分布更均匀。凸腔燃烧室内甲烷的熄火极限最大,为16.5 m/s。②增加凸腔长宽比、深径比、凸腔个数和将凸腔设置在通道下游(距出口处L1/L=0.25)均有利于提高甲烷的转化效率。其中增加凸腔深径比对于甲烷催化燃烧的促进效果比增加凸腔宽长比好;当进气速度较大时,将凸腔位置放置于通道下游可以明显的提高甲烷转化率。③增加凸腔宽长比、深径比,凸腔个数和将凸腔设置在通道下游(距出口处L1/L=0.25),可延长熄火极限。适当增加凸腔宽长比,提高通道内部壁面燃料分压力,有利于提高通道内温度,当宽长比为0.25时熄火极限最大,随后有所下降;增加凸腔深径比,产生的回流区域更大,甲烷催化燃烧出现涡街,回流区和涡街有助于提高燃烧的稳定性,同时缩短着火距离,延长熄火极限;凸腔设置在通道下游(距出口处L1/L=0.25)可延长熄火极限;增加凸腔个数,流体受到腔体的阻碍扰动性更强,燃料对内壁面的压力变化增大,扩大流体的回流区域,强化的壁面内侧的对流换热和热量向流动的下游传递,升高通道内的温度,延长熄火极限。④随着甲烷/氧气当量比的增加,甲烷的转化效率先增加后减小,在当量比为1时达到最高值。随着催化壁面温度的增加,甲烷的转化效率出现先增加后减小的趋势,至1200 K时达到最大值。增加燃料的进气速度,甲烷的转化效率减少,但发生甲烷转化率最高值向贫氧燃烧和壁面温度升高方向偏移。本文采用数值模拟的方法对存在凹凸腔的微通道内甲烷的催化燃烧进行了较全面的研究,得到了通道结构变化对催化燃烧的影响规律。并且探讨了不同条件下甲烷催化的燃烧特性。研究结果对于微尺度燃烧器的设计发展有重要的学术意义以及研究价值。 【关键词】：微通道 催化燃烧 腔体结构 转化率 熄火极限
【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9-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-22
• 1.2.1 催化燃烧12-14
• 1.2.2 微尺度催化燃烧14-17
• 1.2.3 不同结构下的微尺度燃烧17-22
• 1.3 目前研究的不足22-23
• 1.4 研究内容23-24
• 2 物理、数学模型以及计算方法24-32
• 2.1 物理模型24-25
• 2.2 数学模型25-26
• 2.3 计算方法26-29
• 2.3.1 催化反应机理26-29
• 2.3.2 数值计算方法29
• 2.4 模型计算验证29-31
• 2.4.1 网格无关性验证29-30
• 2.4.2 可行性验证30-31
• 2.5 小结31-32
• 3 凹凸腔微通道内甲烷催化燃烧的数值研究32-46
• 3.1 当量比的影响32-35
• 3.2 入口速度的影响35-40
• 3.3 催化壁面温度的影响40-42
• 3.4 三种燃烧器对甲烷吹熄火限影响42-44
• 3.5 小结44-46
• 4 凸腔结构变化对微通道内催化燃烧的数值研究46-68
• 4.1 凸腔宽长比对催化燃烧的影响46-51
• 4.2 凸腔深径比对催化燃烧的影响51-56
• 4.3 凸腔位置对催化燃烧的影响56-61
• 4.4 凸腔个数对催化燃烧的影响61-65
• 4.5 小结65-68
• 5 结论与展望68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 展望69-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 附录78
• A. 作者在硕士期间发表的论文78
• B. 作者在硕士期间参加的科研项目78

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