微尺度燃烧条件下常用碳氢燃料反应机理的简化

发布时间：2017-09-10 23:32

  本文关键词：微尺度燃烧条件下常用碳氢燃料反应机理的简化

  更多相关文章： 微尺度燃烧 机理简化 敏感性分析 直接关系图法 数值模拟

【摘要】：伴随着微机电系统的蓬勃发展,对高功率、长寿命电力供给单元的需求日益迫切。基于微尺度燃烧的动力系统以其能量密度高、成本低、污染小等优点得到了广泛关注,其核心是微尺度下碳氢燃料的燃烧过程。为了能尽可能准确而快速地模拟微尺度燃烧过程,亟需能体现微尺度燃烧特性的简化反应机理。但目前的简化机理大多是针对常规尺寸的燃烧而简化的,在反应尺度和滞留时间上与微尺度燃烧有很大区别。基于这一背景,本文面向微尺度燃烧的特点对常用碳氢燃料的详细反应机理进行简化。论文先对反应机理简化的意义和简化方法进行了阐述,并重点介绍了基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法,后基于微尺度燃烧条件利用这两种方法对常用碳氢燃料预混合燃烧的反应机理进行了简化。首先,对氢气/氧气燃烧的详细反应机理进行了简化。由于采用的方法不同,分别得到12步简化机理和17步简化机理,并将它们和详细反应机理分别用于PSR模型进行计算和对比分析,结果表明,综合使用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法得到的简化机理(17步)的计算结果更接近详细机理。其次,对甲烷与氧气反应的详细机理进行了简化。简化时,选择GRI-Mech3.0作为详细机理,分别采用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法进行简化。前者获得了10组分19步的简化机理。应用PSR模型对简化机理的适用范围进行验证,结果表明,简化机理能在当量比0.5~1.6范围内预测温度和关键组分。后者简化得到19组分38步机理。通过对比简化机理和详细机理的PSR模型和层流预混火焰模型的计算结果,得出的最大误差不超过10%。应用PSR模型对38步简化机理的适用范围进行验证,结果表明,简化机理适用于体积为0.1cm3~0.8cm3的燃烧器,且在当量比0.5~1.5范围内,简化机理与详细机理吻合度均较高。再次,采用敏感性分析法对甲烷与空气反应的详细机理进行了简化。并且与甲烷和氧气反应的简化机理类似,对甲烷和空气反应的简化机理的适用范围进行了验证。本文也采用实验和模拟相结合的方法对简化机理进行了验证。利用Fluent软件对简化机理进行计算,所得的结果和实验数据较为一致,最大误差不超过4%,进一步证明了简化机理的准确性。文章最后对简化机理在催化燃烧中的适用性进行了研究。利用PSR模型,分别使用17步氢氧气相简化机理和38步甲烷/氧气气相简化机理与各自的表面机理进行耦合计算,并和详细机理耦合计算的结果进行比较,结果表明,使用简化机理时的温度和关键组分的值都和使用详细机理时接近,最大误差不超过6%。
【关键词】：微尺度燃烧 机理简化 敏感性分析 直接关系图法 数值模拟
【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
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 微动力系统的概况12
• 1.2 微尺度燃烧的研究概况12-14
• 1.2.1 微尺度燃烧的定义与优点12-13
• 1.2.2 微尺度燃烧面临的问题13
• 1.2.3 国内外微尺度燃烧的数值模拟研究13-14
• 1.3 机理简化的研究概况14-18
• 1.3.1 详细反应机理的研究14-16
• 1.3.2 国内外机理简化的研究现状16-17
• 1.3.3 机理简化的意义17-18
• 1.4 本文主要的研究内容18-19
• 第二章 计算模型及机理简化方法19-26
• 2.1 Chemkin软件简介19-21
• 2.1.1 PSR模型19-20
• 2.1.2 层流预混火焰模型20-21
• 2.2 基于误差传播的直接关系图法21-22
• 2.3 敏感性分析法22-23
• 2.4 Fluent软件简介23-25
• 2.4.1 基本控制方程24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 微尺度条件下H_2/O_2反应机理的简化26-36
• 3.1 计算模型26-28
• 3.1.1 物理模型26
• 3.1.2 氢气反应机理26-28
• 3.2 计算结果与分析28-32
• 3.2.1 基于DRGEP方法的简化结果分析28-29
• 3.2.2 基于敏感性分析的结果29-32
• 3.3 简化机理的验证32-33
• 3.4 实验验证33-34
• 3.5 本章小结34-36
• 第四章 微尺度条件下CH_4/O_2反应机理的简化36-53
• 4.1 计算模型与边界条件36
• 4.1.1 物理模型36
• 4.1.2 边界条件36
• 4.2 基于DRGEP法的简化结果分析36-40
• 4.2.1 机理简化结果36-38
• 4.2.2 简化机理的验证38-40
• 4.3 基于敏感性分析法的简化结果分析40-51
• 4.3.1 机理简化结果40-43
• 4.3.2 简化机理的验证43-46
• 4.3.3 简化机理适用的体积范围46-48
• 4.3.4 简化机理适用的当量比范围48-49
• 4.3.5 简化机理的应用49-51
• 4.4 实验验证51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 微尺度条件下CH_4/Air反应机理的简化53-65
• 5.1 计算模型与边界条件53-54
• 5.1.1 物理模型53
• 5.1.2 边界条件53-54
• 5.2 基于敏感性分析的简化结果分析54-57
• 5.3 简化机理的验证57-61
• 5.3.1 简化机理和详细机理在PSR模型中的验证57-59
• 5.3.2 不同当量比条件下的验证59-60
• 5.3.3 简化机理适用的体积范围60-61
• 5.4 简化机理在Fluent中的应用61-63
• 5.4.1 计算模型与边界条件61
• 5.4.2 两种机理的模拟计算结果61-63
• 5.5 实验验证63-64
• 5.6 本章小结64-65
• 第六章 气相简化机理与表面反应机理的耦合计算65-72
• 6.1 微通道内H_2/O_2耦合反应的数值模拟65-68
• 6.1.1 计算模型与边界条件65-66
• 6.1.2 计算结果分析66-68
• 6.2 微通道内CH_4/O_2耦合反应的数值模拟68-71
• 6.2.1 计算模型与边界条件68-69
• 6.2.2 计算结果分析69-71
• 6.3 本章小结71-72
• 第七章 总结与展望72-74
• 7.1 总结72-73
• 7.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 硕士期间发表的论文79
• 硕士期间申请的专利79

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本文编号：827317