逆流对冲燃烧器内甲烷/空气预混催化燃烧特性的数值研究

摘要

随着微传感器、微型飞行器、微型医疗设备、微流体泵、微型反应器等微机电设备在人类生产生活中的推广与应用，可持续化的微小型动力源装置成为了微机电设备发展的关键所在。在微型动力源装置中，微型燃烧器因为其自身的高能量密度、携带方便、使用寿命长等特性，受到许多研究者的关注。
　　甲烷燃料含碳少、热值高、储量丰富、价格低廉，有利于未来微型动力源装置的推广与应用。微型燃烧器由于其散热速率大，燃料停留时间短等特点使得其在空间反应上难以维持，需要借助特定的稳燃技术以实现稳定燃烧。催化反应的高效、无焰燃烧等特点适用于微型燃烧器的稳燃。因此，研究微型反应器内甲烷空气预混催化燃烧，为将来微型动力源装置的应用提供基础，是很有必要的。
　　为了解决当前微型燃烧器内，燃料停留时间、进气方式、预热方式等存在的一些不足，本文提出了逆流对冲燃烧器。系统地研究了不同燃烧器下，进气速度、当量比、散热条件和导热条件对燃烧器燃烧特性的影响。对逆流对冲燃烧器进行结构上的优化，研究了进气口宽度 L2、下游段长度 L1、下游段入口长度 L3、下游段入口高度H等因素对燃烧器燃烧特性的影响。
　　数值模拟计算结果表明，逆流对冲燃烧器利用预混气体与高温尾气的逆流对冲效果，实现了延长燃料在燃烧室内的停留时间，因而极大的提高了燃烧效率、甲烷转化率与稳燃范围。逆流对冲燃烧器在进气速度1.1m/s时，甲烷转化率为80.30%，而平板燃烧器为67.99%，相比于平板燃烧器提高了18.11%。对流换热系数的增大会降低甲烷反应速率，使燃烧器稳燃极限变窄，但燃烧效率是增大的。导热系数对燃烧器存在双重作用，在提高进气预热温度的同时也提高了尾气的出口温度。
　　对逆流对冲燃烧器几何参数对甲烷催化燃烧特性的影响进行数值研究，结果表明，改变进气口宽度L2和下游段入口长度L3对燃烧器的进气速度极限和甲烷转化率有显著的影响。与L2=1.0mm相比，L2=0.1mm的进气速度极限提高了34%，而在进气速度2.1m/s时，L2=0.1mm的甲烷转化率提高了8.7%。改变进气口宽度L2可以调节预混气体在燃烧室内的分配，而增大下游段入口长度 L3和下游段入口高度H，能明显抑制进气口一的进气量。L2宽度和H高度对速度场和对冲区有很大的影响。
　　本文的研究为设计高效稳燃微燃烧器结构、改进燃烧技术提供理论依据，具有一定意义和参考价值。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 目前研究的不足

1.4 本文主要研究内容

2 物理、数学模型及计算方法

2.1 模型的建立

2.2 催化反应机理及计算方法

2.3 数值计算验证

2.4 本章小结

3 平板型、回热平板型及逆流对冲型燃烧器内甲烷催化稳燃特性的对比数值研究

3.1 进气速度的影响

3.2 当量比的影响

3.3 壁面散热的影响

3.4 导热条件的影响

3.5 本章小结

4 逆流对冲燃烧器几何参数对甲烷催化燃烧特性的影响

4.1 进气口宽度L2的影响

4.2 下游段长度L1的影响

4.3 下游段入口长度L3的影响

4.4 下游段入口高度H的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间撰写及发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目