微通道內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)對甲烷催化燃燒特性影響的數(shù)值研究.pdf

1、隨著微型機電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展，其在生活、航空、生物、軍事等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微型燃燒器作為微動力裝置的主要供能系統(tǒng)，對其開發(fā)和應(yīng)用已成為當前研究熱點。微燃燒器尺寸的減小，面積/體積比增大，影響了燃燒的穩(wěn)定性和高效性。催化燃燒是有效穩(wěn)定微尺度燃燒的方法之一，利用催化劑降低燃料的反應(yīng)活化能，從而提高燃燒效率。微燃燒室結(jié)構(gòu)對其內(nèi)的高效穩(wěn)定燃燒亦有重要影響，但目前對于微通道內(nèi)壁添加腔體結(jié)構(gòu)的甲烷催化燃燒研究不多，特別是針對凸腔

2、微槽道結(jié)構(gòu)對提高微燃燒穩(wěn)定性更加少見。因此本文開展存在腔體槽道的微型通道內(nèi)甲烷的催化燃燒特性研究十分必要。
　　于此，論文采用詳細的基元反應(yīng)機理，首先對微直通道和存在凸腔和凹腔槽道的微通道內(nèi)甲烷/氧氣的催化燃燒進行了數(shù)值研究，考察了當量比、進氣速度、壁面溫度對甲烷燃燒特性的影響。其次針對存在凸腔槽道的微通道，重點研究分析了凸腔槽道的寬長比、深徑比、位置以及個數(shù)對于甲烷催化燃燒的轉(zhuǎn)化率、燃燒溫度以及熄火極限的影響。研究結(jié)果表明：

3、r>　　①微凸腔槽道更有利于甲烷的微尺度催化燃燒。凸腔燃燒室內(nèi)，流體流經(jīng)腔體時局部受阻，流體擾動加劇，增加燃料對內(nèi)壁面的壓力，強化了甲烷與壁面催化劑的接觸，促進。同時凸腔燃燒室內(nèi)，對流換熱加強，易形成較大的回流區(qū)域，卷吸高溫的氣體可燃燒溫度，也使燃燒室溫度分布更均勻。凸腔燃燒室內(nèi)甲烷的熄火極限最大，為16.5m/s。
　?、谠黾油骨婚L寬比、深徑比、凸腔個數(shù)和將凸腔設(shè)置在通道下游（距出口處L1/L=0.25)均有利于提高甲烷的轉(zhuǎn)化效

4、率。其中增加凸腔深徑比對于甲烷催化燃燒的促進效果比增加凸腔寬長比好；當進氣速度較大時，將凸腔位置放置于通道下游可以明顯的提高甲烷轉(zhuǎn)化率。
　　③增加凸腔寬長比、深徑比，凸腔個數(shù)和將凸腔設(shè)置在通道下游（距出口處L1/L=0.25)，可延長熄火極限。適當增加凸腔寬長比，提高通道內(nèi)部壁面燃料分壓力，有利于提高通道內(nèi)溫度，當寬長比為0.25時熄火極限最大，隨后有所下降；增加凸腔深徑比，產(chǎn)生的回流區(qū)域更大，甲烷催化燃燒出現(xiàn)渦街，回流區(qū)和渦街

5、有助于提高燃燒的穩(wěn)定性，同時縮短著火距離，延長熄火極限；凸腔設(shè)置在通道下游（距出口處L1/L=0.25)可延長熄火極限；增加凸腔個數(shù)，流體受到腔體的阻礙擾動性更強，燃料對內(nèi)壁面的壓力變化增大，擴大流體的回流區(qū)域，強化的壁面內(nèi)側(cè)的對流換熱和熱量向流動的下游傳遞，升高通道內(nèi)的溫度，延長熄火極限。
　?、茈S著甲烷/氧氣當量比的增加，甲烷的轉(zhuǎn)化效率先增加后減小，在當量比為1時達到最高值。隨著催化壁面溫度的增加，甲烷的轉(zhuǎn)化效率出現(xiàn)先增加后減