新型回热燃烧器内甲烷/空气预混催化燃烧特性的数值研究

【摘要】：微尺度燃烧器为我国汽车、机电、航空和军事等领域的微动力机电系统的发展提供了先决条件,其具有高能量密度和长寿命的特点。微尺度燃烧特性的研究作为微燃烧器高效、稳定持续燃烧的研究基础。近年来,研究学者对微尺度燃烧方向做了大量研究,尤其是甲烷的微尺度催化燃烧,但是至今还有许多科学和技术难题需要去解决。本文研究主要围绕微尺度燃烧器内甲烷/空气预混燃烧特性和稳燃特性展开的,主要对甲烷的催化燃烧进行了数值模拟。首先回顾了微尺度燃烧的国内外研究现状,分析和总结了开展微尺度燃烧研究所需要面临的问题,同时提出并确定本文主要的研究方向。比较系统地研究了壁面反应、流动速度、壁面参数以及几何参数等因素对甲烷催化反应过程的影响,对直通道燃烧器提出了“回热超焓结构”的改进方案,并采用三维稳态数值模拟进行研究。通过选择合适的燃烧器几何形状、壁面材料、初始条件和较好地控制散热损失来实现甲烷稳定燃烧,对进一步设计和优化微尺度燃烧提供一定理论依据和参考价值。首先,对常规微燃烧器和回热结构微燃烧器中的甲烷催化燃烧进行了数值模拟,比较系统地研究了相关因素对催化过程的影响,得出:回热结构有利于甲烷催化燃烧,且有效地将燃烧释放的热量通过隔板传递给未燃气体,提高了甲烷转化率和稳燃极限,实现稳燃。甲烷当量比是影响催化燃烧的主要因素,随着当量比的增加,甲烷转化率出现了先增大后降低的趋势。其次,对回热结构燃烧器中的壁面材料和对流换热系数进行了数值模拟,得出:燃烧器的壁面材料对甲烷燃烧稳定性的影响较大。壁面材料为导热系数较小的石英玻璃的燃烧器内平均温度略高于导热系数较大的紫铜,且导热系数越大,燃烧器内温度分布均匀,不存在热量集中的现象,热回流区的面积减小。随着燃烧器壁面对流换热系数的增大,在一定入口速度范围内可以维持稳定的催化燃烧,且临界速度和外壁面平均温度逐渐降低,而甲烷转化率呈现先增大后降低的趋势。最后,对回热结构燃烧器中的隔板长度和隔板夹角进行了数值模拟,得出:随着燃烧器内隔板长度的逐渐增大,能提高甲烷转化率和平均温度,但会降低甲烷转化速度,且沿着燃烧器内轴向方向,甲烷转化速度呈现先增大后降低的趋势。回热超焓燃烧器内改变隔板夹角会极大程度地影响速度流场分布,继而对温度场分布的影响不容忽视。本文通过数值模拟的方法对微尺度条件下甲烷的催化燃烧特性、壁面散热条件以及几何参数对甲烷燃烧的影响等内容进行了较为全面的研究,得出了工况条件和壁面条件以及结构参数对甲烷稳定燃烧特性的影响规律。本文研究有助于改进和优化微型燃烧器的结构及燃烧特性,推进微尺度燃烧技术的深入研究,对微型装置的设计具有学术指导意义及工程价值。 【关键词】：催化燃烧 数值模拟 回热 壁面参数 几何参数
【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
• 英文摘要5-9
• 主要符号表9-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-17
• 1.2.1 回热超焓燃烧器的研究现状12-14
• 1.2.2 燃烧器壁面属性的研究现状14-15
• 1.2.3 燃烧器结构属性的研究现状15-16
• 1.2.4 甲烷催化燃烧研究中存在的主要问题16-17
• 1.3 本文研究内容17-20
• 2 物理、数学模型及计算方法20-28
• 2.1 模型的建立20-21
• 2.1.1 物理模型20-21
• 2.1.2 数学模型21
• 2.2 催化反应机理及计算方法21-25
• 2.2.1 催化反应机理21-24
• 2.2.2 计算方法24-25
• 2.3 数值计算验证25-27
• 2.3.1 网格无关性验证25-26
• 2.3.2 数值方法可行性分析26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 常规平板燃烧器与回热超焓燃烧器内甲烷催化稳燃特性的对比数值研究28-42
• 3.1 进气速度的影响28-33
• 3.2 进气温度的影响33-37
• 3.3 当量比的影响37-40
• 3.4 本章小结40-42
• 4 回热超焓燃烧器内壁面参数对甲烷催化燃烧特性的影响42-56
• 4.1 壁面材料的影响42-51
• 4.1.1 壁面材料对稳燃极限的影响43-45
• 4.1.2 壁面材料对温度的影响45-49
• 4.1.3 壁面材料对自由基的影响49-51
• 4.2 壁面对流换热系数的影响51-54
• 4.3 本章小结54-56
• 5 回热超焓燃烧器内几何参数对甲烷催化燃烧特性的影响56-68
• 5.1 隔板长度的影响56-61
• 5.2 隔板与水平方向上夹角的影响61-67
• 5.3 本章小结67-68
• 6 结论与展望68-70
• 6.1 主要结论68-69
• 6.2 后续研究工作的展望69-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 附录78
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文78
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目78

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