微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
微燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟
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１１ 燃 烧器 结构 ．
微燃烧器采用的燃烧 室长为 １ １ｍ，宽为 ６ ０Ｔ ｉ ｍｍ，高 为 ０ ．ｍｍ，计算 中采用均匀网格，如 图 １ ８ 所示 。
和二氧化碳的质量百分 比浓度分布 ，图 ３给 出了不同流
量下微燃烧 室内的温度分布 。对应不 同的流量 ，初始 条 件相 同的 甲烷和 氧气的混合气在 微燃烧室 内的燃烧情 况
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍ ｉｒ ｃ ｃ ｏ ｏｍ ｂ ｔ ｒ ｃ ｍ ｂｕ ｔｏ ｕｓｏ ； ｏ ｓｉ ｎ； ＦＬＵ ＥＮ Ｔ ｏｆｗ ａｅ；ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｒ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｔ ｔｏ
自２ ０世纪 ８ ０年代以来， 微机 电系统 （ ＭＳ ｍｉ ｏ ＭＥ ： ｃ — ｒ ｅ ｃ ｏｍｅｈｎｃｌｙｔ ）迅速发展，在航 空、航天 、汽 ｌ ｔ — ｃａ ｉ ｓ ｍｓ ｅｒ ａｓ ｅ
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微小Swiss_roll燃烧器的数值模拟_李军伟
第14卷第6期2008年12月 燃 烧 科 学 与 技 术Journa l of Co m busti on Science and T echnologyV o.l 14N o .6D ec .2008微小S w iss -rol l 燃烧器的数值模拟李军伟,钟北京,王建华(清华大学航天航空学院,北京100084)摘 要:为了解微小Sw iss -ro ll 燃烧室的工作特点,对二维S w i ss -ro ll 燃烧器进行数值模拟,采用了CH 4/空气的多步反应机理,考虑了燃气对室壁的辐射,研究当量比和入口气流速度对燃烧特性和火焰稳定性的影响.研究结果表明,S w iss -ro ll 燃烧器能够在大的当量比范围内稳定工作.但上下极限并不对称,富燃时的极限比较小,比化学当量比略小,而富氧的极限比较大.对于相同的当量比,流速较小时,甲烷/空气火焰停留在燃烧器中心区的入口,甲烷全部参加反应;随着气体流速的增加,在燃烧器的中心形成回流区,扩大了燃烧器的富氧可燃极限,有助于火焰稳定,但是甲烷的转化率在减小.关键字:微小燃烧室;预混燃烧;数值模拟;甲烷;燃烧特性中图分类号:TK 16 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2008)06-0533-07Nu m erical Si m ulati on ofM icro Sw iss -Roll Co mbustorLI Jun-w e,i Z HONG Be-i ji n g ,WANG Jian-hua(Schoo l o f A ero space ,T si nghua U niversity ,Beijing 100084,Ch i na)Ab stract :T o understand the w ork i ng features of t he m icro Sw iss -roll combustor ,nu m erical si m ulations for a 2D S w i ss -ro ll co m bust o r w ere carried out ,w it h CH 4/a ir m ult-i step reacti on m echan i s m and rad i a ti on fro m gas to channe lw a ll taken i nto consideration .E ffects of equ i va l ence ra ti o and fl ow ve l oc ity on co m busti on characteristi cs and fl ame stability we re stud i ed .The resu lts show that the S w iss -ro ll co m bust o r can wo rk w it h i n a w ide range of equivalence rati o s .But the fue -l r i ch li m it is no t symm etr ica l to t he fue-l lean li m it .The for m er i s just l ess than 1,wh ile t he l a ter ism uch larger t han 1.Fo r the sa m e e -quiva l ence ra ti o ,if v eloc i ty is s ma l,l fla m e i s stab ilized at the en trance o f t he center reg ion w it h co m plete combusti on o fm e t hane .W ith the i ncrease o f flow ve l o city ,there appears a recircu l a ti ng zone i n t he center reg i on ,hence i ncreasi ng t he fue-l lean li m it and enhanc i ng fla m e stab ili zati on .But the rec irculati ng zone can decrease the conv ers i on ra ti o o fm ethane .K ey word s :m i cro co m bustor ;pre m i xed combusti on ;num erical si m ulation ;m ethane ;combusti on character istics收稿日期:2007-07-06.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376027).作者简介:李军伟(1978) ),男,博士后,davi d78lee @gma i .l co m.通讯作者:钟北京,zhongb @j ts i nghua .随着ME M S 的迅速发展,基于M E M S 技术的微型动力系统也受到了人们的关注.微型动力系统的一个重要特点是利用燃料或者推进剂在微燃烧器中燃烧,产生高温高压的燃气,驱动涡轮或者其他动力装置,从而把化学能直接或间接地转化为其他形式的能量,如动能、热能或电能.燃料或推进剂的能量密度大是其最大优点,因而微动力系统有着非常好的应用前景[1-3].基于燃烧的动力M E M S 中,为了减小微尺度燃烧器的热损失、扩展可燃极限,通过回收燃烧产物中的热能来预热未燃气体,产生过量焓火焰的技术受到了广泛关注[4].过量焓燃烧方式最开始由W einberg 和L l o yd 提出[5-7].在过量焓燃烧室中,燃烧产物和反应物在相邻的通道中逆向流动,燃烧产物通过通道壁面预热反应物,提高反应物的焓值,因此在贫燃、低热值以及大的热损失条件下,燃料仍然能够在过量焓燃烧器中维持燃烧,扩展了燃烧器的可燃极限.W ei n berg 也首次提出了二维Sw iss-ro ll(/瑞士面包圈0)燃烧器,与简单的直线型逆向换热器相比,Sw iss-ro ll结构具有更大的换热表面积,因为每两条已燃和未燃通道中间有一条未燃和已燃通道.因此,采用Sw iss-r o ll结构的微尺度燃烧器能够维持稳定燃烧.目前,对Sw iss-r o ll结构的换热燃烧器的研究中,只有Jones等人[8]对Sw iss-roll结构的换热燃烧器的定量熄火极限进行了模型研究,但是没有气体的耗散输运、未燃和已燃气体之间的换热速率以及有限速率的化学反应.为改进这种分析方法,Ronney[9]提出了U 型逆向流动热循环燃烧模型.这个模型极大地简化了复杂的Sw iss-ro ll过量焓火焰,并且考虑了壁面的换热以及有限化学反应,但这种模型不适合偏离熄火极限时的火焰.在微型燃烧器中,可燃极限内火焰的稳定及其位置的控制变得特别重要.因此,有必要了解在基本的可燃极限以下大的当量比范围内火焰的稳定及传播性质.Kuo等人[10]对丙烷/空气螺旋型逆流Sw iss-ro ll燃烧器进行了二维数值模拟研究,但仅采用了一步总包化学反应,过高地预测了燃烧的最高温度;Ahn等人[11]在螺旋型逆向流动Sw iss-ro ll燃烧器中进行了丙烷和空气混合物的燃烧实验,可是他们研究的Sw iss-ro ll燃烧器通道的尺寸比较大,大于标准状态下丙烷/空气的熄火距离;K i m等人[12]对三种不同几何形状的小型Sw iss-roll燃烧室的燃烧特性进行了实验,研究了不同的保温措施对火焰稳定,温度分布的影响,但他们并没有对燃烧器内部的燃烧特性进行更详细地分析.采用详细的化学反应机理,考虑燃烧器内部的流动和换热,通过数值模拟的方法研究甲烷/空气在微小型Sw i s s-ro ll燃烧器的燃烧特点,流量对燃烧位置的影响,当量比对甲烷转化率的影响.文中定义当量比本为实际与理论空气/甲烷质量的比值.1物理模型和数值计算模型Sw iss-ro ll燃烧器是一个直径为60mm的圆柱体,为了忽略上下端面边界散热的影响,假设燃烧器高度为无限高,着重研究燃烧器二维平面内的燃烧和流动情况.在圆柱体上按照螺旋线方程切割出了螺旋型通道,通道宽度0.65mm,两条通道之间的分割墙壁厚度1.0mm.为了防止火焰温度过高,烧毁燃烧器结构,另外两条通道之间的墙壁厚度较大,为6.1mm.未反应的甲烷/空气预混气体从外侧通道进入燃烧器,在中心区点火燃烧,燃烧后的尾气从内侧通道排出.燃烧器的二维截面和三维几何形状如图1所示.甲烷/空气的预混气体从燃烧器的入口进入,在中心大空间内燃烧.(a)二维截面(b)三维几何形状图1微小Sw iss-roll燃烧器计算模型(单位:mm)为了比较准确地模拟微小Sw iss-ro ll燃烧器的工作过程,对甲烷/空气预混气体采用二维稳态连续方程、动量方程、能量方程和组分方程,对燃烧器基体结构采用了二维稳态能量方程.由于通道很小,并且流体流速较低,雷诺数小于2000,属于层流流动范围,因此燃烧过程可以描述为预混气体的层流燃烧.为了考虑流动过程中燃气辐射的影响,辐射模型采用DO(dis-crete ord i n ates)模型[13].由于燃烧产物中CO2气体和水蒸气是主要的辐射组分,高温燃气的吸收系数通过W SGG M(w e i g h ted-sum-o-f g ray-gases m odel)模型计算[13].对这些守恒方程组采用有限体积法进行离散,采用欠松弛法进行隐式求解.求解过程中,采用S i m ple 方法离散压力-速度的耦合,动量方程、组分方程和能量方程采用一阶精度的迎风格式离散求解.在燃烧器内部的气流通道内采用较密的结构化网格,微细通道宽度方向上有15个网格点.固体壁面的结构比较复杂,采用三角形网格进行划分.计算网格见图2,共有2.1万个网格单元.#534#燃烧科学与技术第14卷第6期图2 计算网格本文的研究目的是了解微型Sw iss -ro ll 燃烧器的工作特点,因此化学反应模型采用预混燃烧的C H 4/O 2/N 2基元反应动力学机理,该机理包含35个可逆基元反应和17种组分[14],该反应模型包含的链式反应途径为CH 4y C H 3y C H 2O y HCO y CO +H 2y CO 2+H 2O式中:C H 3、C H 2O 、H CO 为中间产物,CO 和H 2为不完全氧化产物,C O 2和H 2O 为主产物.此外,自由基OH 、O 、H 和H 2O 2用来维持上述链式反应的传播过程.反应混合物的黏性系数、比热容和导热系数由各组分的相应数值通过质量分数加权平均计算.反应物的密度通过理想气体状态方程计算.各组分的比热容根据温度的分段拟合公式计算,各组分的黏性系数和导热系数根据气体分子运动学的方法计算[13].计算模型使用到以下边界条件:微细通道的入口采用质量入口边界条件,给定进气的质量流量以及各个组分的质量分数;流体和固体之间的壁面采用无滑移、没有法向组分扩散的边界条件,同时保证耦合壁面温度连续;通过壁面的热流密度连续.在微细通道的出口,给定出口的压力,其他参数根据远场条件外推;在整个燃烧器的最外层边界采用绝热边界条件,不考虑燃烧器向外界的散热.整个计算过程分两步进行.首先,不考虑化学反应,根据边界条件计算得到收敛的流场;然后,加入化学反应模型,并在中心区域设置高温点火源,待混合气体在中心区稳定燃烧后,关闭高温点火源,继续进行计算,直到最后收敛.为了确定可燃极限,首先计算得到可燃极限E R =1时稳定燃烧的流场,然后逐渐改变当量比,得到不同当量比时的流场和温度场,从而判断可燃极限及工作特点.2 计算结果与讨论2.1 可燃极限在甲烷流量为55.6m g /s 、163.1m g /s 和277.8m g /s 时,对燃烧器进行了数值模拟,得到了不同流量时的可燃极限,如图3所示,图中E R 为当量比.在3种流量下,微型Sw iss -ro ll 燃烧器的可燃极限都在0.8与2.4之间.富燃极限较小,而富氧极限较大.下面针对甲烷流量等于55.56m g /s 、不同当量比时微型燃烧器内的工作状况进行分析.图3 微型Sw iss -roll 燃烧器的可燃极限图4是不同当量比时燃烧器内的温度场云图.从图中可以看出,当量比为1时,甲烷和空气的燃烧温度最高,为1983K.随着当量比的升高,最高燃烧温度逐渐下降,在上极限(E R =2.4)时,最高燃烧温度只有1357K.如果继续增加空气流量,燃烧温度还要下降,最终散热量大于燃烧的放热量,火焰熄灭.从图中还可以看出火焰位置在燃烧器中的变化,火焰主要稳定在燃气的温度梯度和组分梯度最大的地方.当量比为1时,火焰面是一条直线,把气体通道完全封闭,甲烷和空气完全燃烧,燃烧温度最高,如图4(b)所示.当量比为0.8时,甲烷过量,空气量不足,火焰面向中心燃烧室内移动,而且火焰面也是一条直线,如图4(a)所示.由于甲烷流量不变,随着空气流量的增加,气流的速度增大.当量比为1.4和1.6时,火焰面仍然在中心燃烧室的入口下游,但是由于气流速度增加,火焰面不再是一条直线,而是一条中心凸起的曲线,如图4(c)和(d)所示.随着空气流量的进一步增加,气流速度变得更大,最终导致火焰被吹到中心燃烧室的下游.由于中心燃烧室存在一个回流区,所以火焰能够稳定在这个回流区内,通过吸附外层的甲烷和空气的混合物进行稳定地燃烧,如图4(e)和(f).在中心有回流区的#535#2008年12月 李军伟等:微小Sw iss -ro ll 燃烧器的数值模拟情况下,随着空气流量的再增加,空气带走的热量增大,中心燃烧区的面积减小,最终当损失掉的热量小于燃烧的放热量时,火焰不能维持,最终熄灭.通过上面的分析可以发现,Sw iss-r o ll燃烧器能够(a)E R=0.8(b)E R=1.(c)E R=1.4(d)E R=1.6(e)E R=1.8(f)E R=2.4图4不同当量比时燃烧器内的温度分布在大的当量比范围内稳定工作,富燃极限比较小,而富氧极限比较大.这是因为富燃时,空气量不足,甲烷燃烧不充分,燃烧放热量减小,所以容易熄火.而当富氧时,甲烷不变,空气量增加,火焰位置向下游移动,在燃烧器的中心形成一个回流区,火焰就发生在回流区的外边界,回流区能够稳定火焰,所以燃烧器能够在大的富氧极限下工作.图5是不同当量比时,C H4在燃烧器中心的质量分数云图.图中C H4质量分数梯度最大的地方就是火焰面,C H4含量从最大值突然减小到最小值.从图中可以看出,当量比为1和1.4时,预混气体在燃烧室入口完全燃烧,燃烧产物中没有剩余C H4.由于后者的气流速度比前者大,所以火焰面形成了曲面.当量比等于1.8时,气流速度增加,火焰面被吹向燃烧室下游.在燃烧室中心的底部凹陷处形成了高温回流区,回流区内是完全燃烧后的产物,回流区被甲烷和空气燃烧的火焰面包围.但是C H4气体没有完全燃烧,部分被卷吸到回流区参加燃烧,部分没有反应就直接流出燃烧#536#燃烧科学与技术第14卷第6期室.当量比增加到2.4时,回流区内预混气体完全燃烧的区域面积减小,火焰面的厚度增加,燃烧强度和最高燃烧温度减小.如果再增加空气流量,燃烧温度会进一步降低,散热量大于燃烧放热量,从而熄火.(a)ER=1(b)E R=114(c)ER=118(d)E R=214图5不同当量比时的C H4质量分数分布图6是计算得到的Sw iss-ro ll燃烧器出口尾气中各个组分的体积分数.从图中可以看出,在当量比为1时,C H4气体完全参加反应,燃烧产物主要是水蒸气和CO2气体.当量比小于1时,空气量不足,CH4没有被完全氧化,产生了部分氧化的产物,氢气和C O气体.随着当量比的增加,空气过量,产物中氧气分数逐渐增加.在当量比小于1.6时,气流速度较小,火焰没有被吹开,主要在燃烧室中心区入口,C H4被完全氧化,产物中没有C H4.但是当量比大于1.6时,气体速度增加,火焰被吹向燃烧室中心下游,部分甲烷参与反应生成水蒸气和CO2气体,其余的甲烷流出.随着当量比的增加,参与反应的甲烷含量减小,燃烧反应放热减小,最终火焰熄灭.根据甲烷在出口的物质的量的分数,计算不同甲烷的转化率,如图7所示.当量比等于0.8时,甲烷的转化率为98%.这是由于空气量不足,甲烷没有完全反应.当量比大于1.6时,由于空气流速增大,火焰被吹开,在燃烧室中心形成了回流区,甲烷部分参加反应,其余的没有反应就流出.随着当量比的增大,参加反应的甲烷量减小,转化率也减小.图6Sw iss-roll燃烧器出口尾气成分图7Sw iss-ro ll燃烧器C H4转化率#537# 2008年12月李军伟等:微小Sw iss-ro ll燃烧器的数值模拟3.2 流速的影响图8是当量比为1,不同入口流速时燃烧器内部的温度云图.总流量为0.255m /s 和0.51m /s 时,入口流速较小,甲烷和空气在入口燃烧,火焰停留在中心燃烧室的入口,甲烷反应比较完全.当总流量大于0151m /s 时,燃烧室内形成了回流区,回流区外侧被甲烷/空气的火焰面包围.随着流量的增大,燃烧高温区逐渐从中心区的下游向上游扩大,中心回流区的面积增大,燃烧放热量增大,最高燃烧温度升高.(a)0.255m /s (b )0.51m /s (c)1.01m/s(d)2.5m /s(e)4.85m /s图8 不同入口流速时燃烧器内部的温度云图根据出口气流的组分计算了甲烷气体在燃烧器中的转化率,如图9所示.从图中可以看出,随着流量的增加,入口气体流速增大,但是甲烷的转化率却逐渐下降.这是由于气流速度增加,中心燃烧室入口的火焰被吹开,部分甲烷气体没有反应就直接流出.图9 不同流量时甲烷的转化率和燃烧器入口流速图10是不同总流量时燃烧室中心的流线图.从图中可以看出,随着总流量的增加,燃烧室中心的回流区面积增大.入口流速为0.51m /s 时,预混气体在燃烧室的入口完全燃烧,燃烧产物直接从出口流出,只在燃烧室的底部形成了一个小的回流区.当入口流速增大后,火焰不能维持在燃烧室入口,向下游移动,于是就形成了一个回流区.回流区卷吸、加热未燃气体,使其在回流区的上边界燃烧,燃烧产物被吸入回流区内,最终从回流区的下游排出.另外一部分没有参加燃烧的气体沿燃烧室上部排出.另外,从图中还可以看出,随着入口流速的增加,回流区的面积增大.这是由于对于相同的当量比,流量增加,回流区的气体流速增大.#538#燃 烧 科 学 与 技 术 第14卷第6期(a)0.51m/s(b)2.50m/s(c)4.85m /s 图10 不同入口流速时燃烧室中心的流线图3 结 论(1)Sw iss -r o ll 燃烧器能够在大的当量比范围内稳定工作,而且富燃时的极限比较小,而富氧的极限比较大.甲烷流量是55.56m g /s 时,计算得到的当量比下极限为0.8,上极限为2.4.(2)当Sw iss -roll 燃烧器中气流速度较小时,甲烷/空气火焰停留在燃烧器中心区的入口,所有进入燃烧器的甲烷都参加反应;如果气流速度较大,火焰被吹开,在燃烧器的中心形成一个回流区,火焰就发生在回流区的外边界,只有部分甲烷气体流入回流区参加反应,其余的直接从回流区外侧流走,不参加反应.(3)对于相同的当量比,随着预混气体流速的增加,燃烧放热量增加,Sw iss -roll 燃烧器中心的回流区面积增大,更加有利于甲烷/空气火焰的稳定.(4)Sw iss -ro ll 燃烧器中心的回流区能够稳定火焰,并加热未反应的预混气体,使其在更大的可燃极限和流速下工作.但是回流区的存在也会导致甲烷的转化率降低,减少燃烧放热量,因此需要合理选择气体流速和当量比.参考文献:[1] Car l os F A.M i cro -pow er gene ration us i ng co m busti on :Issuesand approaches[C ]//Twen t y-N int h International Sympos i -u m on C o m bus tion .Sappo ro ,Japan ,2002.[2]Jacobson S A,Epste i n A H.An i n f o r m al survey o f pow er M E M S [C 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燃烧器的数值模拟。
微型燃烧器内甲烷催化燃烧特性数值研究及实验
微型燃烧器内甲烷催化燃烧特性数值研究及实验随着微电子机械系统（MEMS）技术日新月异的发展,微器件对许多领域的影响日趋明显,装置的微型化与微型系统的研究已成为当今研究的重要课题。
近年来,国内外科研机构相继开展了微动力机电系统和微发动机的研究工作。
它具有能量密度高、寿命长、体积小、重量轻、结构简单等优点。
国内该领域的研究始于二十世纪九十年代中期,需要解决的科技难题还有很多。
如微空间内可燃气体的流动、燃烧时间、燃烧效率和稳定性等可能与大空间内的燃烧有着完全不同的特性,这都需要进一步深入研究。
甲烷燃料容易获得、价格低廉,在未来数十年内将是微型机电系统和气体发动机的主要燃料。
微型燃烧器的尺寸较小、散热速率较大,可能使常规空间反应无法稳定进行,因此,研究微型燃烧器内甲烷预混流动和催化燃烧特性,可为微型发动机碳氢燃料燃烧技术打下基础。
本文针对微系统内流动与燃烧的研究现状和存在问题,提出了微型燃烧器内碳氢燃料旋流预混催化重整燃烧技术,分析了微细尺度流动特性、催化重整及催化燃烧的反应机理。
提出以燃料入口直径,旋、直流槽数量,次级燃料入口距离、数量等几方面因素来研究提高微型燃烧器预混腔的预混效果。
探讨了了各参数变化时,各燃气出口速度、燃气出口速度分布均匀性、出口预混系数的变化规律,为设计快速高效的微型预混器提供理论依据。
对预混方式及微燃烧器结构进行优化设计,增加了燃气在燃烧器内的停留时间,得到了甲烷、水蒸气在镍催化剂作用下在预混腔发生催化重整、积碳特性的变化规律。
得出了影响其特性变化的控制参数（如催化温度、水碳比和质量流量）的适宜范围。
针对不同的目的和催化反应,提出在微型燃烧器的预混腔和燃烧腔分别涂敷不同种类催化剂的催化燃烧策略。
首次对滑移区内气体的流动与传热特性与Kn 数关系进行了研究。
提出可用反应对CO和CO<sub>2</sub>选择性的指标,来辅助评价和分析各因素变化时甲烷催化燃烧效率和热值利用率的高低。
Swiss-roll型微燃烧器的燃烧数值模拟
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ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｏ ｒ ｉ Ｓ ｂ ｅ ｎ ｅ ｉ ｆ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ｏ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｓ ｗｉ ｓ ｓ — ｒ ｏ ｌ ｌ ；ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｏ ｒ ；ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ；Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ；ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
微 尺度燃烧器 的重量轻 、寿命 长 、能量密度 高，与 电池相 比有 很大的优越性， 能够 满足 微型无人飞行汽车 、 微 型卫 星推进器 和微 型传感 器等对 微型 动力 源的需 求， 应用 前景 十分广阔…。 然 而随着空间尺 寸的缩小，微燃烧器 的面容 比迅速 增大 ，导 致燃烧热损 失很大，对微 燃烧器 内的燃烧 产生 了不利影 响［ 。 胡 国新［ ］ 等搭建 了氢气 与空气 预混 燃烧实 验装置 ，开展 了微细型腔燃烧特性 实验 研究 。 结 果表明： 由于微 细型腔外表面散 热损失 的增 大，火焰传播速 度减 小， 可燃浓度范 围明显缩小 。为解 决上述 问题 ，各 国学 者进行 了大量研究 。 Ｍａ ｒ ｕ ｔ ａ Ｋ￣ ４ １ 采用 Ｆ Ｌ ＵＥ Ｎ Ｔ对 １ ｍｍ直 径的流动反应器 中低雷诺数 的催化反应进行 了模拟研究， 得到 了不 同温度下各主要成 分在气相 区和铂催化剂表面 的分布情况 。Ｐ ａ ｕ ｌ Ｄ． Ｒ ｏ ｎ ｎ ｅ ｙ Ｅ ］ 开 发了一个 逆流 回热型燃 烧器 的模 型，研究表 明通 过壁面的逆 流换 热量对燃烧器
微尺度条件下CH4_DME掺混燃料燃烧过程反应机理简化及数值模拟研究
大学硕士学位论文摘要近年来，碳氢燃料凭借高能量密度、质量轻、供电时间长等优点迅速吸引了国内外学者们的关注，基于碳氢燃料的微型动力系统获得了广泛研究。
微型燃烧器作为微型动力系统的核心部件，其工作性能与系统能量输出紧密相关。
但不同于常规尺度，微尺度燃烧面临着火焰淬熄和不稳定等挑战。
面对这些挑战，许多强化燃烧、稳定火焰的措施被研究者们提出。
我们课题组提出新的掺混方式，即甲烷/二甲醚/空气预混燃烧。
在前期实验工作中已经发现二甲醚的添加能大幅度拓宽可燃极限，有效促进甲烷的燃烧。
但实验平台测试技术有限，对甲烷掺混二甲醚燃烧的火焰动力学认识还不够充分。
数值模拟相较于实验方法能更便捷的获得燃烧过程的详细信息。
但当下适用于微尺度领域的甲烷/二甲醚混合机理尚未被开发出来。
因此，本文的工作之一是开发出适用于微尺度燃烧的甲烷/二甲醚混合燃料机理。
随后，运用该机理对甲烷/二甲醚/空气预混燃烧火焰动力学展开数值模拟研究，讨论二甲醚增强甲烷/空气燃烧稳定性的作用机制，并计算微燃烧器内的熵产率分析系统的㶲效率。
论文的主要研究工作和创新点如下：（1）采用DRGEPSA软件对甲烷/二甲醚详细化学反应机理进行骨架机理简化。
结合层流火焰速度敏感性分析，开发出适用于微燃烧领域的甲烷/二甲醚混合燃料机理（含有25个组分，96步基元反应）。
该机理能准确预测一个大气压下，当量比0.7至1.5，不同二甲醚掺混比的点火延迟时间、层流火焰速度。
利用所开发的机理，构建甲烷/二甲醚/空气在平板式微型燃烧器内的预混燃烧过程的三维数值模型进行模拟计算。
结果表明，该模型不论是火焰形态，还是吹熄极限，均与实验结果达到良好吻合。
（2）在不锈钢材质的平板式微燃烧器内，通过改变掺混比和当量比，完成了甲烷有无掺混二甲醚的火焰形态和吹熄极限基本对比。
发现掺混二甲醚后新增U型火焰和双峰U型火焰，并且当量比为0.9时倾斜火焰不存在。
讨论了贫燃和富燃条件对甲烷掺混二甲醚的作用原理，解释了添加二甲醚促进甲烷燃烧的主要原因。
甲烷空气混合气在热氛围燃烧器中自燃特性的数值模拟
中 图分 类 号 ：Ｘ３８２
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００４—３９５０（２０１８）０ｌ一００４８—０７
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０ 引 言
面对 节能 和 环保 两 方 面 的严 峻形 势 ，世 界 各 国 相 继 制 定 严 格 的 内 燃 机 排 放 法 规 ，减 少 对 石 油 燃料 的依 赖 ，积 极 开 发 汽 车新 型代 用 燃 料 。天 然 气是 继煤 和石 油 后 的 第 三 大 化石 能 源 ，具 有 储 备 量 丰 富 、成本 低 、燃 烧 热值 较 高 ，燃 烧 后 所排 放 的 有 害物 质少 等优 点 ，因此 被 认 为 是 内燃 机 理 想 的 气体 代用 燃料 。
甲 烷空 气混 合 气 在 热 氛 围燃 烧 器 中 自燃 特 性 的 数 值模 拟
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鲁 雯 。郭 雪 岩
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摘 要 ：以 可控 活 化 热 氛 围 燃 烧 器为 计 算 原 型 ，利 用 燃 烧 器形 成 的 热 氛 围 ，对 喷 射 的 甲 烷 空 气 混 合 气 体 在 热 氛
１ 模 型 及 计 算 方 法
围 中受 热 而发 生 自燃 的 现 象及 自燃 火焰 的稳 定 性 影 响 因素 进 行 了数 值 模 拟 研 究 ， 结 果表 明 ：相 比 于射 流 速 度 ，
热 氛 围 温度 是 影 响混 合 气体 自燃稳 定性 的 一 个 更 加 重 要 的 因素 ；在低 温 范 围 内 ，温 度 的 小 幅 变 化 会 显 著 改 变 火
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
量的能量储备 ,还是在能量转换与利用效率上都明 显地优于传统的化学电池 。例如 , 碳氢燃料提供的 储能密度约为 40～50 MJ / kg ,而目前普遍使用的 、 性 能最好的锂离子电池只有 0. 4 ～ 0. 5 MJ / kg 。因此 , 即使燃料的化学能只有 10 %转变为电能 , 碳氢燃料 提供的储能密度也超过电池 10 倍以上 。正是由于 碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点 , 微型发电系 统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国 防和能源高技术研究的重点投资之一 。麻省理工学 院、 加州大学伯克利分校 、 普林斯顿大学以及南加州 大学等分别在美国 NASA 、 国防部 ( DOD ) 和能源部 (DOE) 的支持下进行了微型火箭 , 微型透平机和以 燃烧方式直接发电等动力微机电系统 ( Power MEMS) 的研 究 , 并 取 得 了 初 步 的 成 果 。日 本 也 把 动 力 MEMS 的研究列入新能源开发机构 ( NEDO) 的研究 计划之中 。 基于燃烧的动力 MEMS 中 , 如何实现微尺度条 件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因 素之一 。在微尺度燃烧中 ,由于燃烧器尺度的减小 ,
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟
微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟近年来，由于石油资源的减少、环境污染的加剧以及全球能源安全的日益受到重视，研究甲烷催化燃烧技术的发展受到越来越多的关注。
由于甲烷催化燃烧的反应机理十分复杂，研究者们对甲烷催化燃烧反应的实验研究仍然处于探索阶段。
将甲烷催化燃烧及其影响机制以数值模拟方式进行探究，可以进一步深入地了解其反应过程及详细的物理机制，从而更有效地设计出更先进的催化剂和工艺条件，结合试验数据，系统地实现对燃烧机理的研究。
其中，微通道壁面传热对甲烷催化燃烧的影响是相当重要的，它影响着反应的动力学，可以改变反应的温度及燃烧比例，控制燃烧方式及产物组成，因此就有必要以数值模拟的方式来进行研究。
本文将以《微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟》为标题，详细地阐述甲烷催化燃烧微通道壁面传热的影响，并且采用数值模拟方法进行研究，为今后甲烷催化燃烧技术的发展提供理论指导。
首先，本文介绍了微通道燃烧的一般原理及基本数学方程，其中包含了热传导方程、质量守恒方程以及动量守恒方程。
然后，详细地介绍了微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数学模型，包括壁面传热系数的求解，燃烧速率与温度的关系，及壁面传热对反应活化能等参数的影响。
此外，文章还将数值模拟方法应用于甲烷催化燃烧微通道壁面传热影响的研究，并以一个简化的催化燃烧实验数据为示例，模拟了反应过程的温度分布，模拟结果表明，壁面传热对甲烷催化燃烧反应的影响极其重要，可以有效地提高燃烧速率及改善温度分布。
最后，文章以数值模拟的方法深入研究了甲烷催化燃烧微通道壁面传热对燃烧机制的影响，并给出了详细的模拟结论。
本文研究提示，微通道壁面传热对甲烷催化燃烧有重要影响，应当在设计及优化催化剂和反应条件时得到充分的考虑，以期获得良好的燃烧性能。
因此，本文的数值模拟研究结果可以为甲烷催化燃烧技术的发展提供理论指导，以及为今后研究者研究甲烷催化燃烧机理提供有价值的参考。
本文最后总结了围绕微通道壁面传热对甲烷催化燃烧机理影响的数值模拟研究，指出了微通道壁面传热对甲烷催化燃烧性能的影响，以及此类模拟研究将会为甲烷催化燃烧技术的发展提供有效的科学依据。
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[3] WILLIAMS P ,NORRIS K. Near Infrared technology in the agricultural and food industries[ R] . American Association of cereal chemists Inc ,
k r = A r T exp ( β r
N
数。 动量方程 : 5 (ρ ) 5 (ρ ) 5p 5 μ( 5 ui ui + uj ui = + [ + 5t 5 xj 5 xi 5 xj 5 xj 5 uj )] 5 xi 能量方程 : 5 Ys ρDh - 5 p = 5 (λ5 T ) + 5 (ΣD ρ h) +q Dt 5t 5 x j 5 xj 5 xj s 5 xj s ( 7) 其中 : h = ΣYs h s 和 h s = cpsd T + h0s ; q 表示反应的 图1 计算物理模型及所使用的计算网络 由于本文模拟是微尺度下的催化燃烧 , 燃烧器 热效应 , 在空间各点 , q = 0 , 在催化表面上满足以下 方程 :
OH 。
表 1 甲烷在催化剂 PT 表面的催化反应机理
反 应 吸附 :
A1 02 + 2PT(S) ] 20(S) + 2PT(B) A2 CH4 + 2PT(S) ] CH3 (S) + H(S) + 2PT(B) A3 CH4 + 0(S) + PT(S) ] CH3 (S) + OH (S) + PT (B) A4 CO + PT(S) ] CO(S) + PT(B) A5 H2 + 2PT(S) ] H(S) + H(S) + 2PT(B) A6 OH + PT(S) ] OH(S) + PT(B) A7 H2O + PT(S) ] H2O(S) + PT(B) 0. 003 0. 150 0. 430 0. 840 0. 046 1. 000 0. 500 1. 0E + 21 1. 0E + 21 1. 0E + 21 1. 0E + 20 1. 0E + 12 1. 0E + 21 1. 0E + 20 1. 8E + 13 5. 0E + 20 1. 0E + 13 4. 0E + 20 1. 0E + 21 8. 5E + 12 5. 0E + 20 1. 5E + 13 1. 0E + 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 27. 00 59. 20 0 0 0 0 20. 00 20. 00 20. 00 10. 50 20. 80 62. 50 51. 25 54. 20 62. 50 156. 50 49. 14 216. 00 152. 50 67. 40 192. 80 45. 00
(渠 源 编辑)
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第6期
钟北京 ,等 : 微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
・58 5 ・
散热表面积与体积的比值变得很大 , 即散热速率与 放热速率的比值很大 ,从而导致火焰传播速度减小 , 甚至灭火 。因此 ,微尺度条件下 ,燃料燃烧所需要的 化学反应特征时间并不随着尺度的变小而减小 , 反 而会由于微型化所造成的散热面积增大而增大 。因 此 ,微尺度燃烧条件下 , 必须采取一些特殊措施 , 如 提高反应混合物的初始温度 , 或使用表面催化燃烧 等 ,以保证得到稳定的火焰 。但是 ,在常规燃烧条件 下 ,当燃料 - 空气混合物的当量比超出火焰传播的 浓度极限时 ,火焰是不可能传播的 。在这种情况下 , 表面催化燃烧就几乎成为惟一的选择 。 本文的目的是通过数值模拟 , 研究微燃烧器内 甲烷 - 空气混合物在催化表面上的燃烧过程 , 同时 探讨微燃烧器外壁与环境换热条件对甲烷 - 空气混 合物催化燃烧的影响 。
R s = 0 , 在催化表面上 R s 满足以下方程 :
( 1)
5 Ys ) + Ys ,wρ ( 3) w un 5n 式中 : M s 为组分 s 的摩尔质量 ; u n 指在壁面附近垂 ρ( Rs Ms = - D 直于壁面的 Stefan 流速度分量 ; R s 可以根据下式来 确定 :
R s = Σ v rs k r Π [ x j ]
Ys Ms ( 9)
3 表面反应机理
如上所述 , 本文只考虑甲烷在催化表面上的反 应。 甲烷表面催化燃烧的反应机理在文献 [ 3 ～ 5 ] 中 有报导 , 本文使用的甲烷在催化剂 Pt 表面的详细反 应机理如表 1 所示 [ 6 ] 。 它包括了 7 个反应物在表面的 吸附反应 , 11 个吸附在催化表面上的反应物之间的 反应和 5 个反应产物的解吸反应 。 所有反应涉及的 组 分 包 括 :CH3 ,CH2 ,CH ,CO ,CO2 ,H2O ,C ,H ,O 和
收稿日期 :2003 - 05 - 30 基金项目 : 教育部博士点基金资助项目 (20010003067) 作者简介 : 钟北京 (1963 - ) ,男 ,江西瑞金人 ,清华大学副教授 ,博士 .
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
第 18 卷第 6 期 2003 年 11 月
热
能
动
力工Leabharlann 程JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER
Vol . 18 ,No. 6 Nov. , 2003
文章编号 :1001 - 2060(2003) 06 - 0584 - 05
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
q = Σ HiRs Ms
s= N
g
( 6)
∫
N +N g s
0
( 8)
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
5 ・ 86 ・
0
热
能
动
力
工
程
2003 年
其中 : Hs 是组分 s 的标准生成焓 。 此外 , 计算中采用 理想气体状态方程 : Σ p =ρ RT
中图分类号 :O643 文献标识码 :A
1 引 言
随着微机电系统 (MEMS) 、 便携式计算机 、 移动 通讯 、 隐身飞行器 、 微小卫星 、 微型火箭 、 微型飞机 、 以及其它必需的移动设备等高技术的发展 , 越来越 迫切地需要重量轻 、 储能大 、 寿命长的新型高性能微 型电源 。目前 ,便携式动力源基本上只能依赖于化 学电池 ,但是 ,化学电池的单位质量储能很小 。与化 学电池相比 ,基于燃烧的微发电系统无论在单位质
A S
等燃烧器壁面温度下甲烷和 CO2 的浓度分布 。对应 不同的等壁面温度条件 , 初始条件相同的甲烷经过 催化壁面后 ,其转疲率有一定的差异 。如燃烧器壁 面温度 t b = 950 K 条件下 , 甲烷的最低质量浓度为 0. 466 % ,出口处的甲烷质量浓度约为 0. 923 % ,转变 率为 55. 56 % 。随着燃烧器壁面温度的升高 , 甲烷 的转变率也逐渐增大 。当燃烧器壁面温度升高到 1 100 K 时 ,甲烷的最低质量浓度为 0. 190 % ,甲烷转 变率为 65. 77 % 。对应于催化表面附近的最低 CH4 质量浓度 ,CO2 的质量浓度达到最大值 。 由以上结果可以看到 ,在等壁面温度条件下 ,虽 然壁温从 950 K～1 100 K 升高了 150 K ,但 CH4 的转 变率没有实质性的提高 ( 约 10 %左右 ) 。原因是由 于采用等壁温条件所造成的 。由图 3 的温度分布和 等值线可以看到 ,甲烷在催化壁面反应后 ,放出的热 量首先加热催化表面 , 使其温度升高 。同时通过传 热作用使燃气温度也升高 , 但由于等壁温条件的限 制 ,在微尺度燃烧空间内 , 燃气温度升高的幅度有 限 ,而大部分热量通过外壁面散失到环境 。因此 ,逆 向换热的思路没有得到实施 。 在图 3 给出的温度分布中 , 燃烧器内的最高温 度均出现在催化壁面的前驻点 , 并随壁面温度的升 高而增大 ( 从壁面温度 950 K 的 1 159 K 增大到壁面 温度 1 100 K 的 1 222 K) 。 为了比较不同边界条件对甲烷催化转化的影响 , 本文还计算了燃烧器与环境对流散热条件下 ,甲烷在 同一燃烧器内的燃烧过程。图 4 给出了环境温度 900 K、 甲烷 - 空气混合气入口温度为600 K、 散热损失为 10 2 W/ (m ・ K) 条件下 ,CH4 浓度分布和温度分布。 从图 4 中可以清楚看到反应后的高温产物气体 在流出反应区的过程中 , 温度逐渐降低 。这主要是 我们假定壁面和环境之间是通过对流来交换热量 的 ,这样的边界条件使得热量的散失不像等壁温条 件那样剧烈 。从而 , 高温的反应产物能通过传导壁 面来预热来流 。比较图 4 和图 3 的温度分布可以发 现 ,在对流换热条件下 ,可燃混合气在到达催化壁面 的时候已经达到较高的温度水平 , 远远高于等壁温 条件下的可燃气预热温度 。可燃气高的预热温度促 进了 CH4 的催化转化 , 提高了催化表面的温度 ( 高 达大约 1 500 K) , 增大 CH4 的转变率 。图 4 的结果 表明 ,在对流换热条件下甲烷的最小质量浓度仅为