催化肋片对微燃烧室内预混燃烧特性的影响

发布时间：2017-12-15 14:09

  本文关键词：催化肋片对微燃烧室内预混燃烧特性的影响

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【摘要】：基于碳氢燃料的微动力系统具有成本低、能量密度高等优点,应用前景广阔。燃烧室作为微动力系统的核心部件,对微动力系统的整体性能有着重要的影响。随着微燃烧室尺寸减小,其面容比增大,热损失增大,导致燃烧稳定性和充分性降低。催化燃烧由于具有污染低、燃烧效率高、可燃范围宽、燃烧易稳定等优点,是解决上述问题的有效途径。本文针对催化微燃烧室内的燃烧情况进行了实验研究,分析了催化剂对燃烧特性的影响。为了分析表面反应与气相反应间的相互作用及主辅关系,加工了可视化微燃烧室,对燃烧室内火焰特性进行了观测。在实验验证基础上,针对催化微燃烧室内的燃烧特性进行了数值模拟,得到了入口流速、当量比、催化剂布置位置等参数对燃烧室内燃烧特性的影响,对比了有无催化时的吹熄极限,进一步分析了表面反应与气相反应间的相互作用关系。论文的主要研究内容和成果如下:(1)对微燃烧室内甲烷/氧气预混火焰进行了观测,分析了肋片有无催化以及催化肋片大小对火焰稳定性的影响。结果表明,在富燃条件下,甲烷/氧气预混合气可在带肋片的燃烧室内实现稳定燃烧。甲烷流量为300SCCM时,随着氧气流量的增加,火焰在燃烧室的传播过程呈现稳定、震荡、再稳定三个阶段。催化剂的引入能够使燃烧反应稳定,且能够扩宽燃烧室的可燃极限。表面反应对气相反应中间产物的消耗会抑制气相反应强度,气相反应产生的高温反过来会抑制表面反应强度。(2)改变催化条件,对微燃烧过程进行了系统的实验研究,分析得出了有无催化、不同氧化剂、催化面积大小及布置位置对微燃烧室内燃烧特性的影响。结果表明,氢气和空气或氧气燃烧反应时,催化燃烧室外壁面平均温度均随当量比的增加先升高后降低。氢气和空气、氢气和氧气燃烧反应时,催化燃烧室外壁面平均温度分别在当量比为1.1和1.0时达到峰值。随着混合气入口流速增加,燃烧室外壁面温度逐渐升高,但升高的幅度逐渐减小。催化肋片位置的布置对燃烧室外壁面温度分布的影响很大,催化肋片布置位置距离入口越远燃烧室外壁面平均温度越高。(3)建立了微尺度燃烧过程的数值计算模型并进行了实验验证,通过模拟计算获得了表面反应对吹熄极限的影响,并分析了氢气/氧气混合气流速和当量比以及催化剂布置位置对微燃烧室内燃烧特性的影响。结果表明,催化肋片布置在燃烧室入口处时,表面反应在当量比为1.0时强度最高。在催化剂表面及附近时,表面反应起主导作用;在距催化剂表面较远处时,气相反应起主导作用。催化剂的引入能够极大地扩宽燃烧室的吹熄极限,当量比同样为1.0时,催化燃烧室的吹熄极限从无催化时的22m/s扩展到46m/s。催化肋片位置距入口距离越远,其对气相反应的影响就越小,但能获得更均匀的燃烧室外壁面温度分布且氢气转化率最高。本文较为详细的研究了催化肋片对微燃烧室内燃烧特性的影响,相关规律性结论具有一定的科学意义,同时也为催化微燃烧室的设计与优化提供了理论指导。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16

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