微细通道内甲烷/湿空气催化着火特性研究

【摘要】：微型装置如微型传感器、微型飞行器、调节器、微型医疗器械、微泵、微型马达等，其在国防、科研、医疗和工业等前沿领域应用广泛。微燃烧器能量密度远高于传统供能方式，微尺度燃烧的研究已成为国内外学者研究热点。微燃烧器中存在诸多问题如燃料难以着火、快速着火，燃料难以稳定燃烧等急需解决。本文主要针对微细通道内甲烷/湿空气催化着火过程展开研究。研究中主要采用数值模拟方法研究了甲烷催化着火温度特性，甲烷极限着火特性及燃烧稳定特性、催化着火暂态特性、恒定壁面温度下的甲烷催化燃烧特性，并采用实验方法研究了操作条件（主要包括甲烷/氧气当量比，进气流量以及反应器尺寸）及水蒸气浓度对甲烷催化着火特性的影响。 针对微型燃烧器内甲烷难以快速着火和稳定燃烧的问题，采用数值方法和实验方法对操作条件对甲烷催化着火过程的影响进行了研究。研究结果表明：甲烷/氧气当量比减小，进口流速增加，壁面催化剂负载密度减小，甲烷着火温度升高，其需要更高的预热能量才能着火。当燃料反应气体积流量恒定时，进气压力增加，甲烷着火温度升高，不利着火。水蒸气的加入会使甲烷着火温度升高，甲烷需要更高热量才能着火。对于微尺度燃烧，表面散热损失越大，着火温度会提高，需要提高预热温度才能使燃料着火。当体积流量一定时，在尺寸较大的反应器中，甲烷能够在较低的温度下发生着火。从微圆管内甲烷催化着火过程的暂态模拟发现，甲烷/氧气当量比增加，着火发生越快。进口流速增加，燃料在反应器中的停留时间减少，甲烷着火越快且甲烷稳定时间缩短。进气压力增加，着火温度的提高以及单位时间内氧化放热量提高，导致着火发生越快。水蒸气的添加对甲烷催化着火起到一定的延迟作用。且添加的水蒸气浓度越大，甲烷催化着火发生就越推迟。 采用数值方法对壁面物性参数对甲烷催化着火的影响进行了研究。研究结果表明：壁面导热系数增大，甲烷催化着火极限当量比减小，着火区间扩大。低速段下，决定熄火的主要原因为表面热量损失；高速段下，熄火极限急剧增大，出现吹熄。当进口流速较高时，增加甲烷浓度能够明显提高甲烷燃烧稳定性。对于恒定壁面温度的催化燃烧，壁面温度与进口流速对甲烷催化氧化影响最大。当未达到着火温度时，当量比和进口流速的增加有助于甲烷催化氧化。 采用实验方法分析了水蒸气对甲烷催化着火特性的影响。研究结果表明：添加的水蒸气浓度增加，T10和T90相应提高。反应气中未加入水蒸气时，甲烷着火温度为525℃；当加入的水蒸气浓度为5%、10%、15%及20%时，着火温度分别为575℃、590℃、610℃和645℃。添加的水蒸气浓度越大，甲烷着火越不易。壁面温度为550℃时，长时间操作实验，水蒸气使甲烷转化率明显的下降。当壁面温度继续提高，其打破了水蒸气吸附/解吸附的平衡，减弱水蒸气对甲烷催化转化的影响。 本文研究有助于改进和优化微型燃烧器，并且推进微尺度燃烧技术的深入研究，对微型装置的设计具有一定学术指导意义及工程价值。 【关键词】：微细通道 甲烷/湿空气 催化着火 操作条件
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-22
• 1.2.1 微尺度燃烧器研究现状10-15
• 1.2.2 微通道内甲烷催化燃烧研究进展15-20
• 1.2.3 微通道内甲烷催化着火研究进展20
• 1.2.4 国内外关于甲烷/湿空气微尺度催化着火研究不足20-21
• 1.2.5 本文主要研究内容21-22
• 2 甲烷/湿空气催化燃烧物理模型及数学模型的建立22-30
• 2.1 物理模型22
• 2.2 数学模型22-23
• 2.3 反应机理及计算方法23-27
• 2.3.1 反应机理23-26
• 2.3.2 计算方法26-27
• 2.4 模型正确性验证27-29
• 2.5 小结29-30
• 3 甲烷/湿空气催化着火特性实验系统及方法30-40
• 3.1 实验系统及装置30-33
• 3.2 催化剂的制备及活性测试33-37
• 3.2.1 整体式催化剂的制备34-35
• 3.2.2 整体式催化剂的活性测试35-37
• 3.3 实验流程37-38
• 3.4 实验数据处理方法38
• 3.5 小结38-40
• 4 微细通道内甲烷/湿空气催化着火过程数值研究40-70
• 4.1 微细通道内甲烷/湿空气催化着火温度特性研究40-48
• 4.1.1 当量比的影响41-42
• 4.1.2 进口流速的影响42-44
• 4.1.3 壁面催化剂负载密度的影响44
• 4.1.4 进气压力的影响44-46
• 4.1.5 水蒸气浓度的影响46-47
• 4.1.6 表面对流换热系数的影响47-48
• 4.2 微细通道内甲烷极限着火及燃烧稳定性研究48-53
• 4.2.1 壁面导热系数的影响48-51
• 4.2.2 进口流速的影响51-52
• 4.2.3 表面对流换热系数的影响52-53
• 4.3 微细通道内甲烷/湿空气催化着火暂态特性研究53-60
• 4.3.1 当量比的影响55-57
• 4.3.2 进口流速的影响57
• 4.3.3 进气压力的影响57-58
• 4.3.4 水蒸气浓度的影响58-60
• 4.4 恒定壁面温度下微细通道内甲烷/湿空气催化燃烧特性研究60-68
• 4.4.1 催化壁面温度的影响60-61
• 4.4.2 当量比的影响61-62
• 4.4.3 进口流速的影响62-65
• 4.4.4 进气压力的影响65-67
• 4.4.5 水蒸气浓度的影响67-68
• 4.5 小结68-70
• 5 实验研究结果及分析70-80
• 5.1 微细通道内甲烷催化着火特性研究70-75
• 5.1.1 当量比的影响70-72
• 5.1.2 进口流速的影响72-74
• 5.1.3 流道尺寸的影响74-75
• 5.2 添加水蒸气对微细通道内甲烷催化着火特性的影响75-78
• 5.2.1 添加水蒸气对特征温度的影响75-77
• 5.2.2 添加水蒸气对 Pt 催化燃烧稳定性的影响77-78
• 5.3 小结78-80
• 6 结论及展望80-82
• 6.1 本文主要结论80-81
• 6.2 工作展望81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-90
• 附录90
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录90
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目90

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

环形微细腔内甲烷催化转化效率的数值模拟    闫云飞;马盟;张力;

微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验    辛明道，师晋生

壁面反应对微小通道内燃烧影响的数值模拟    张立志;赵黛青;冯耀勋;杨浩林;

微小多孔介质燃烧器的燃烧特性研究    曹海亮;张凯;赵纪娜;魏新利;王定标;

微圆管内甲烷催化着火的实验和数值研究    吴晟;冉景煜;蒋文萍;

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响    张程宾;陈永平;施明恒;付盼盼;

CH_4/O_2/N_2层流火焰瞬态响应特性数值分析    王海峰;陈义良;陈华蕾;刘明侯;

方截面直微通道内低雷诺数流动分析    何文博;王元;龚霄雁;金文;

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验    王国锋;钟北京;

微通道内甲烷空气预混气的熄火极限    钟北京;焦健;

微细圆管内火药燃烧稳定性影响因素的数值模拟    刘建;沈瑞琪;叶迎华;胡艳;

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究    谢永奇,余建祖,赵增会,秦彦

天然气中加入H_2对燃烧器性能的影响    文杰;刘蓉;潘树源;

微流体温度控制器的数值模拟与特性分析    晁侃;吴健康;龚磊;

天然气中加入H_2对民用燃烧器设计的影响    刘蓉,潘树源

温度及氧含量对煤气再燃还原NO_x的影响    孙绍增;钱琳;王志强;曹华丽;秦裕琨;

MEMS中的高热密度的散热设计    刘晓明;汪洋;王殿银;朱钟淦;

煤层气渗流理论及其研究进展    田智威;

超低浓度甲烷气体催化燃烧数值模拟    蒲舸;李文俊;闫云飞;

壁面参数对甲烷微尺度催化燃烧的影响    冉景煜;秦昌雷;吴晟;

关于微通道相关问题研究方法现状分析    史东山;李锦辉;刘赵淼;

液滴冲击液面的仿真研究    张华;

微尺度环境下预混火焰稳燃方法的研究    汪洋

基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究    吴锋

用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法    张建影

格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究    刘芳

微流控系统调控电渗流和热效应数值研究    晁侃

微小尺度燃烧中淬熄距离和贫燃极限的研究    徐侃

高热流密度微结构散热器换热特性的研究    刘东

磁流体流动及能量传递特性的多尺度研究    周陆军

基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究    赵凯

格子Boltzmann方法在热声领域的应用及热声谐振管可视化实验研究    王勇

微尺度下水的温度场测量实验研究    徐振华

几类非线性偏微分方程的格子Boltzmann方法    陈林婕

狭缝型微型燃烧器的催化燃烧特性研究    豆庆民

致密多孔介质内气体流动和传热的格子Boltzmann模拟    王华龙

均匀各向同性湍流的格子Boltzmann模拟    沈峰

静止和转动圆柱绕流的格子Boltzmann模拟    邬小军

热声发动机特性的多速格子气模拟    张稳

热声谐振管中声振荡的格子Boltzmann模拟    邓玉瑾

二维方腔内非牛顿流体的格子Boltzmann模拟    李国平

微小通道与射流相结合的高热流密度热沉结构的数值模拟    刘明艳

催化着火的实验研究    覃川,傅维标,李长乐

拉伸层流扩散火焰面结构及熄火的研究    王海峰,陈义良,董刚,朱旻明

表面催化反应对空间预混气体着火影响的研究    侯凌云,杨成仁,傅维标

甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟    钟北京,伍亨

回热式多孔介质发动机的多维数值模拟    周磊;解茂昭;赵治国;史俊瑞;

甲烷水蒸汽催化转化的动力学模型    李绍芬,高文新,廖晖

燃料掺水燃烧研究的新进展    贺占博

柴油机加氢降低燃油消耗的研究    崔可润;高孝洪;ТнмошевскнйБГ;СиротаАА;БеляковСЮ;

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟    金文;张鸿雁;何文博;

空间反应和入口速度对甲烷催化反应的影响    伍亨,钟北京

印尼煤掺混烟煤着火特性的热重实验研究    陆继东;王玲玲;卢志民;易新建;

煤粉着火特性评判指标与煤燃烧动力学参数研究    官学贵;

固体可燃物在辐射条件下着火特性的分析    赵维;

关于煤的着火特性的系数    孙恩召,李炳熙,于洪彬,吴少华,秦裕琨

煤着火特性的实验研究    栾积毅,武雪梅

煤着火特性的热重分析研究    胡文斌,杨海瑞,吕俊复,岳光溪,张建胜

最小二乘支持向量机在煤着火特性研究中的应用    常爱英;吴铁军;包鑫;

煤粉与生物质混燃的低温着火特性    王春波;王金星;雷鸣;

煤粉气流着火特性试验研究    张忠孝

煤焦非均相着火温度与煤种的通用关系及判别煤焦着火特性的通用指标    傅维标,张恩仲

燃油温度对直喷汽油机喷雾及着火特性的影响    纪媌媌;吴志军;童孙禹;李献菁;邓俊;胡宗杰;

O_2/N_2和O_2/CO_2燃烧方式下煤粉着火特性研究    吴乐

煤的着火特性及动力学研究    夏福明

煤颗粒在常重力和微重力下着火特性研究    朱明明

煤粉颗粒群射流着火特性实验研究    俞伟伟

可燃物热解与着火特性研究    袁兵

煤粉在MILD-Oxyfuel条件下的着火特性    史云烨

用神经网络预测煤及配煤的着火特性    周坤

煤粉着火特性试验研究    常爱英

单颗粒煤粉在不同气氛下着火特性的模拟研究    杨明

辐射方向和海拔高度对固体可燃物热解及着火特性影响的实验研究    郄军芳

微细通道内甲烷/湿空气催化着火特性研究    杨德祥