微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟

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CO₂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。

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。

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。

甲烷燃烧的数值模拟及分析主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。

一、模型建立1、在Gambit中建立计算区域在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。

物理模型如下：甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。

如图1。

图1圆柱形炉膛模型图2、绘制网格图2进口网格分布甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。

炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。

图3炉膛表面网格分布图4炉膛表面网格分布图5炉膛出口网格分布图6炉膛内部网格分布3、指定边界条件图7炉膛边界条件Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。

4、导入fluent具体信息如下：54440mixed cells,zone2,binary.326quadrilateral wall faces,zone3,binary.1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.350quadrilateral wall faces,zone5,binary.218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.11144nodes,binary.11144node flags,binary.缩放信息如下图：图8缩放信息图5、选择计算模型图9定义求解器图10考虑能量方程图11考虑粘性模型图12考虑辐射模型图12考虑燃料模型图13燃烧物质和炉膛材料6、操作环境的设置图14操作环境（压力场和重力场）7、设置边界条件图15空气入口边界条件空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084177甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究杨朝乐，林伟荣，原 鲲*，于溯源清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084(*摘要：本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出口旋流数、反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和CO 排放的影响。

研究结果包括：NOx 和CO 的排放随着当量比的降低而下降；旋流可使CO 排放大幅下降，但主要发生在弱旋工况；对于弱旋流火焰，预混射流速度的提高增加了CO 排放，而在中强旋工况下，情况正好相反。

本研究结果为以后的实验设计和开展提供了理论指导。

关键词：预混，旋流，燃烧0 前言随着我国社会经济的快速发展，对包括天然气在内的清洁能源的需求正逐年上涨。

目前我国天然气占一次能源消费比重不到3.5%，尚不足国际水平（25%左右）的1/7。

但年度消费量增长迅速，近年来每年增幅在10%以上。

天然气已经成为一些城市客车的重要交通燃料，也成为北方许多城市冬季采暖的首选燃料。

与燃煤相比，天然气没有二氧化硫和粉尘排放，被称为清洁燃料，但是在氮氧化物（NOx ）减排方面效果有限。

天然气主要成分为甲烷，其燃烧产生的NOx 污染正逐渐引起人们关注。

天然气燃烧产生氮氧化物的机理主要是热力型氮和快速型氮，其中快速型氮的生成过程相对复杂，但热力型氮是最主要的生成产物，而且排放水平和火焰温度高度相关。

采用贫燃料预混火焰，可以大幅度降低火焰温度，从而将NOx 排放控制在很低的水平[1]。

预混火焰越接近贫燃极限，NOx 排放越低。

但是在接近贫燃极限的工况下，如何使预混火焰得到稳定成为问题的瓶颈。

作为一种稳定火焰的方式，旋流燃烧的火焰稳定能力已得到实践检验[2]，传统上还主要用来稳定扩散火焰。

旋流燃烧的主要功能包括：1）在火焰中心形成回流区以实现火焰稳定；2）强化燃气混合以提高燃烧效率；3）缩短火焰长度以节省燃烧室尺寸。

微通道内甲烷催化燃烧的数值模拟研究的开题报告
一、研究背景和意义：
微通道内的催化燃烧技术作为一种高效低污染的能源转化方式，在化工、航天、汽车等领域得到了广泛的应用。

与传统的反应器相比，微通道反应器内的催化燃烧反应速率更快，反应效率更高，且所需催化剂量更少，经济性更好。

本文将研究微通道内甲烷催化燃烧的数值模拟研究。

该研究的意义在于，通过数值模拟研究，可以更全面地了解微通道内甲烷催化燃烧的反应过程和应对方法，为微通道催化燃烧技术的发展提供理论依据。

二、研究内容：
1. 对微通道内甲烷催化燃烧反应机理进行建模，分析微通道内流场和组分分布的特点，探究反应过程中的化学反应和传质过程。

2. 基于CFD方法，对微通道内甲烷催化燃烧反应的数值模拟进行研究。

建立微通道内甲烷催化燃烧的反应动力学模型，采用Fluent等数值模拟软件进行模拟分析。

3. 通过模拟分析，探究微通道内甲烷催化燃烧的影响因素，如反应温度、流速、催化剂种类和浓度等因素对反应效率的影响，并根据模拟结果提出相应的优化方案和建议。

三、研究方法和流程：
1. 文献调研和资料收集，建立微通道内甲烷催化燃烧反应机理的理论模型。

2. 建立CFD数值模拟模型，对微通道内甲烷催化燃烧反应进行数值模拟分析，并进行模拟结果的验证。

3. 在模拟分析的基础上，设计相应的实验并进行实验验证。

4. 分析模拟结果和实验数据，提出优化方案和建议。

四、预期结果和意义：
通过数值模拟的研究，可以更全面地了解微通道内甲烷催化燃烧的反应机理和流场特点，提高微通道催化燃烧技术的效率和可行性，对于推进微通道燃烧技术的应用和发展具有重要的理论和应用价值。

微细通道内甲烷部分催化氧化的数值模拟1 前言气体催化氧化技术在环保领域应用广泛，可以将有害物质转化为无害物质。

而微细通道催化氧化技术则是一种利用微通道的小尺寸和高表面积优势，提高催化反应效率和降低负载的技术。

本文将着重介绍对微细通道内甲烷部分催化氧化的数值模拟。

2 甲烷部分催化氧化原理甲烷的部分催化氧化是先将甲烷氧化成甲醛、甲酸、CO和水等中间产物，再将这些中间产物氧化成CO2和H2O。

该反应基本方程如下：CH4 + 1/2 O2 → CO + 2H2OCH4 + O2 → CO2 + 2H2OCH4 + 1/2O2 → CH2O + H2OCH2O + 1/2O2 → CO2 + H2OHCOOH + 1/2O2 → CO2 + H2OCO + 1/2O2 → CO2这些反应都是氧化反应，需要一个合适的催化剂提高反应速率和选择性。

铜基催化剂是最常用的甲烷部分氧化催化剂。

铜催化剂在甲烷氧化过程中形成了烷基氧化物，例如CH3OH和HCOOH，然后这些物质在催化剂表面进一步氧化为CO和CO2。

3 微细通道催化氧化技术微细通道催化氧化技术与传统甲烷部分催化氧化技术相比，具有以下优势：1. 小尺寸：微细通道的尺寸通常在几微米到几百微米之间，可以大大提高催化剂的接触面积，促进分子间传质和反应。

2. 低温：微细通道催化氧化技术的反应温度一般在200-400℃之间，与传统甲烷部分催化氧化技术的450-550℃相比，操作温度更低，不仅可以节约能源，还可以减少反应过程中产生的气体中毒、爆炸等风险。

3. 抗毒性：由于微细通道反应器的设计独特，可以将反应物分散在通道内，从而减少反应物和催化剂之间的接触，减少催化剂的失活。

4 微细通道内甲烷部分催化氧化数值模拟微细通道内甲烷部分催化氧化的数值模拟可以通过使用Computational Fluid Dynamics（CFD）软件完成。

CFD软件可以预测流体动力学、化学反应和传热传质等流场特性，从而对催化反应过程的优化和改进提供指导。

微燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟
刘伟;陈琪
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2012(041)005
【摘要】建立了微燃烧室中的湍流燃烧模型,采用FLUENT软件对微燃烧室中甲烷/氧气的燃烧特性进行了数值模拟,研究了甲烷/氧气的当量比为1时不同流量对微燃烧室内燃烧的影响.计算结果表明,随着混合气流量的增加,燃烧室内的温度升高,甲烷的质量浓度下降.
【总页数】3页(P19-21)
【作者】刘伟;陈琪
【作者单位】北京交通大学动力与控制工程系,北京 100044;北京交通大学动力与控制工程系,北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】TK121
【相关文献】
1.燃烧室结构对微燃烧器内甲烷燃烧的影响 [J], 刘伟;陈琪
2.旋流燃烧室内甲烷湍流燃烧的数值模拟 [J], 杨炜平;张健
3.微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟 [J], 钟北京;洪泽恺
4.甲烷和氢气在亚毫米微燃烧室内燃烧的试验对比 [J], 潘剑锋;万彦辉;李德桃;薛宏;吴庆瑞
5.甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟 [J], 钟北京;伍亨
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第11卷第1期2005年2月燃　烧　科　学　与　技　术Journa l of Co m busti on Sc i ence and Technology Vol .11No .1Feb .2005甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟3钟北京,伍　亨(清华大学航天航空学院,北京100084)摘　要:用详细化学反应机理研究了微型直通道中甲烷/空气预混气体在镀Pt 热壁上的催化燃烧问题.联合使用计算流体力学软件F LUE NT 和可以计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHE M ,对微型直通道中当量比在0.01～10.0范围之间的甲烷/空气预混气体的催化燃烧进行了数值模拟.计算结果表明,在微尺度催化燃烧中当量比和温度对甲烷催化转化率、转化速度有重要的影响.关键词:微尺度;催化燃烧;数值模拟中图分类号:O643.3 文献标志码:A 文章编号:100628740(2005)0120001205Num er i ca l S i m ul a ti on on Ca t a lyti c Com busti on of CH 4/A i r i n M i crochannelZ HONG Bei 2jing,WU Heng(School of Aer os pace,Tsinghua University,Beijing 100084,China )Abstract:Catalytic combusti on of CH 4/air m ixture in hot m icr o 2channel p lating Pt (as catalyst )was nu merically investi 2gated by using the commercial fluid dynam ics code F LUE NT coup led t o external subr outine DET CHE M that modeled the surface che m istry in the channel .The homogeneous reacti ons were neglected in calculati ons .Equivalence rati o of CH 4/air m ixture is in the range of 0.01～10.0,and constant wall te mperature was adop ted as a boundary conditi on .The results in 2dicated that equivalence rati o and te mperature have i m portant influence on catalytic combusti on of CH 4.Keywords:m icr o 2scale;catalytic combusti on;nu merical si m ulati on 基于燃烧的微动力机电系统(PowerME MS )、微推进系统和微型发电系统等的发展使人们开始关注对微尺度燃烧的研究.在微尺度燃烧中,由于尺寸的缩小,常规燃烧很难正常进行.Choi 等人[1]经过实验得出化学当量比下甲烷/空气混合物在管型通道内常规燃烧时的灭火直径为3～4mm.突破这个可燃极限的方法之一是采用表面催化燃烧.同时,由于微尺度催化燃烧的反应机理、燃烧条件等与常规燃烧有很大的差异,其燃烧过程会呈现不同的特征,研究各种因素对催化燃烧的影响对于实现微尺度条件下燃料的稳定性具有很重要的实际意义.Kaoru 等人曾对当量比为0.4的甲烷/空气混合物在直径为1mm 的微型直通道中的表面催化燃烧情况进行过初步研究,得出催化壁面温度在1000K 以上时贫燃混合物能够发生剧烈反应的结论[2].前期研究结果表明,当量比为0.4的甲烷2空气混合物在有催化表面的横截面为1mm ×1mm 有逆流换热的微通道燃烧器内,可以实现持续、稳定的燃烧[3]. 本文将在前期研究的基础上通过数值模拟,进一步研究管径为1mm 的微型直通道中甲烷/空气混合物在热壁催化表面上的燃烧情况,探讨当量比与温度的变化对甲烷/空气混合物在微尺度通道内催化燃烧的影响.3收稿日期:2004205213. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376027);教育部博士点基金资助项目(20010003067). 作者简介:钟北京(1963— ),男,博士,副教授,zhongbj@tsinghua .edu .cn .1　物理模型和数学模型 计算中采用的物理模型是一个直径为1mm 、长度为10mm 的圆柱型管道燃烧器(见图1).为了避免入口边界条件与有催化的边界条件重合以后造成数值计算上的麻烦[2],假定管道入口处的1mm 不发生表面催化反应,前0.5mm 的壁面温度保持在300K,后0.5mm 的壁温则线性上升到特定的催化表面温度(T w );管道内余下的9mm 为镀有Pt 的催化表面.图1　模拟计算采用的物理模型 由于燃烧器的空间尺度较小,可燃混合物的流动速度很低,且甲烷的反应温度相对较低,在这种条件下基本不发生空间反应[2],因而只考虑催化表面上的反应.此外,在计算中,本文还忽略了体积力、流动中的耗散作用和气体辐射.因此,描述上述物理模型的数学模型包括下面5个控制方程. 1)连续方程 5ρ5t +55x j(ρu j )=0(1) 2)组分方程 ρ5Y s 5t +ρu j 5Y s 5x j =55x j (D ρ5Y s 5x j)+R s (2) 3)动量方程 55t (ρu i )+55x j (ρu j u i )=-5p 5x i +55x j μ5u i 5x j +5u j5x j(3) 4)能量方程 ρD h D t -5p 5t =55x j (λ5T 5x j )+55x j(6sDρ5Y s5x j h s)+q (4) 5)理想气体状态方程 p =ρR T6Y sM s(5) 上述各式中,Y s 、M s 和R s 分别为组分的质量分数、摩尔质量及生成或消耗速率;h 为混合物焓;q 为反应热效应.2　反应机理 模拟中,采用Deutschmann 等人[4]提出的甲烷在Pt 表面上的催化反应机理,包括7个吸附基元反应、11个表面化学基元反应和5个解附基元反应.其中涉及11种表面相组分:Pt (s )、CH 3(s )、CH 2(s )、CH (s )、C (s )、CO (s )、CO 2(s )、H 2O (s )、OH (s )、H (s )及O (s )和7种气相组分:CH 4、O 2、N 2、H 2O 、CO 2、CO 和H 2.所有基元反应参考文献[5].3　计算结果与讨论 本文的流体力学计算使用F LUE NT [6],化学反应的计算使用DETCHE M [7],通过两者的耦合,完整地模拟了当量比在0.01～10.0范围内的甲烷/空气混合物在不同催化表面温度下微型直通道内的燃烧过程.混合物的初始温度为300K,入口流速为0.16m /s,管径为1mm (远远小于常规火焰灭火直径[1]),对应的雷诺数R e =10,催化壁面采用恒温边界条件,混合物各种物性参数均取自DETCHE M 的数据库.通过改变混合物的当量比与催化壁面的温度,研究它们对甲烷在微通道内燃烧的影响. 为了便于研究,把通道出口横截面上甲烷的平均质量分数与入口甲烷质量分数的比值定义为甲烷转化率,以此来观察经过整个微通道燃烧器以后有多少甲烷参加了反应;同时,为了表征甲烷在微通道轴向各点反应的快慢,将沿管道轴向单位长度内甲烷质量分数的减小定义为甲烷转化速度,单位是m -1.3.1　温度对甲烷催化转化的影响 图2～图4分别表示不同当量比(<=0.1,1.0,10.0)时甲烷质量分数、转化速度沿管道的分布情况(图中(a )为甲烷在燃气混合物中的含量沿管道轴向的分布情况;图中(b )为甲烷转化速度沿管道轴向的分布情况),图5给出了这三种情况下甲烷转化率的变化.可以看到,在贫燃、<=1.0、富燃的情况下,当温度从700K 升高到1200K 时,甲烷转化率的增加情况分别为0.240 0到99.9960 0、0.210 0到1000 0、4.7100到31.900;甲烷的转化速度也随温度的升高而加快.同时,在甲烷质量分数分布图中发现,当温度较高时,在<=1.0情况下,甲烷含量在很短的距离内便达到最低值,而贫燃和富燃情况则需要更长的距离,这显然是由甲烷转化速度的快慢造成的.对比右边的甲烷转化速度分布图,在<=1.0时,甲烷转化速度的峰值比贫燃和·2·燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第1期富燃时的大.可见,温度的升高极大的提高了甲烷的转化率,并且在当量比为<=1.0时,这种影响最大;甲烷转化速度的峰值也随温度的升高而增大.(a )甲烷的质量分数(b )甲烷的转化速度图2　<=0.1时,温度对甲烷转化率和转化速度的影响(a )甲烷的质量分数(b )甲烷的转化速度图3　<=1.0时,温度对甲烷转化率和转化速度的影响(a )甲烷的质量分数(b )甲烷转化速度图4　<=10.0时,温度对甲烷转化率和转化速度的影响图5　甲烷转化率随温度的变化3.2　当量比<对甲烷催化转化率的影响 图6给出了催化壁面温度为700K 和1000K 时,甲烷通过整个微通道后的转化率随当量比的变化.相应的在不同当量比下甲烷质量分数、转化速度沿管道的变化如图7和图8所示.由图可以看到,随着当量比图6　甲烷转化率随当量比的变化·3·2005年2月 钟北京等:甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟(a )甲烷的质量分数(b )甲烷的转化速度图7　T =700K,当量比对甲烷转化率和转化速度的影响(a )甲烷的质量分数(b )甲烷的转化速度图8　T =1000K,当量比对甲烷转化率和转化速度的影响的增加,甲烷的转化率和转化速度均是先增大后减小.当催化壁温为700K 时,甲烷转化率在<=2.4时达到最大值39.5300,同时转化速度达到最大值;当催化壁温为1000K 时,甲烷转化率在<=1.0和<=1.2时达到10000,转化速度峰值的最大点则出现在<=1.6处,这主要是因为在<=1.0和<=1.2时,虽然甲烷转化速度峰值较小,但从图中可以看出,整个管道中转化速度都比较大,导致最终甲烷转化率很大,但在<=1.6处,虽然转化速度峰值大,但管道其他部分转化速度却非常小,整体看来,导致甲烷转化率反而低于<=1.0和<=1.2时的情况. 在甲烷转化速度分布情况中可以看到,催化壁面温度在较低的700K 时,管道内甲烷转化速度峰值点并不出现在管道入口附近,而是往后移动到管道的中后部分,并且其位置会随着当量比的变化而变化,而在壁面温度较高的1000K 时,并不存在这种现象.这是因为采取了恒温边界条件,整个催化管道壁面上均能有表面催化反应发生,当壁温较低时,有一些表面基元反应进行得快,有些进行得慢,导致反应沿着管道发生一段距离以后,混合物成分随着反应的进行发生变化,朝着增加甲烷转化速度的方向转化,最终在某个位置达到最高点.3.3　有关甲烷转化率的讨论 图9给出了当量比在0.01～10.0之间、壁面温度在600～1100K 范围内甲烷/空气混合物在微通道内进行表面催化燃烧后甲烷转化率的变化情况.可以看出,温度对甲烷的转化率具有决定性的影响,当温度升高时,所有当量比下的甲烷转化率均有不同程度的提高,当温度在1100K 时,当量比在0.01～2.0的范围内甲烷的转化率能达到9000以上,温度在1000K 时,这个范围也能达到0.01～1.8,而当温度低于900K时,整个范围内甲烷转化率最高只能达到88.880.图9　甲烷转化率分布·4·燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第1期 从图9中发现,当温度低于1000K时,甲烷转化率最大的情况并不出现在<=1.0附近,而是往富燃区偏移,温度越低,偏移程度越大,当壁面温度为600 K时,甲烷转化率最大点已经偏移到了<=7.0附近.这主要是因为高温和低温状态下制约整个反应速度的反应不同造成的,在高温条件下对反应速度有决定性作用的基元反应CH4+O(s)+Pt(s)]CH3(s)+OH (s)+Pt在低温时已经很难发生,而反应活化能比较低的基元反应CH4+2Pt(s)]CH3(s)+H(s)+2Pt此时起主导作用,导致整个反应对O2需求量减小,而对甲烷的需求量增加,所以甲烷含量的增加必然加快反应的速度,当甲烷含量增加的速度比反应速度增加的速度慢时,甲烷的转化速度增加,当甲烷含量继续增加,其速度已经大于反应速度的增加时,就导致甲烷转化率的减少,所以,低温时甲烷转换率的峰值会出现在富燃区. 同时,在低温时,当量比降低到0.1以下,甲烷转化率反而有所增大,这是因为采取了恒温边界条件,在低温、低当量比的情况下,反应速度虽然较慢,但在整个催化壁面上都在进行,所以,在当量比极低的情况下,当量比降低的速度比反应速度降低的速度要快得多,从而导致甲烷转化率反而升高.4　结　语 对各种边界温度条件和当量比下甲烷/空气混合物在微通道内催化燃烧的数值计算表明,温度是影响微通道催化燃烧中甲烷转化率和转化速度的主要因素.当温度升高时,甲烷转化率和转化速度均会不同程度地增加.当量比也是影响甲烷转化率和转化速度的重要因素,随着当量比的增加,转化率和转化速度出现先增加后降低的趋势. 此外,计算结果还表明,表面催化反应可以使甲烷在直径为1mm、远远小于管道型燃烧的灭火直径的通道内维持燃烧;当催化壁面的温度为1000K时,甲烷可以在当量比范围为0.01～1.6时实现900 0以上的转换率,温度升高可以继续拓展这个范围.参考文献:[1]　Choi C W,Ju Y.Observati on of fla me dynam ics in mes o2scale channel[A].I n:P roceedings of the Third Joint M 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Manual[Z].Stein2beis Transferzentru m Si m ulati on Reaktiver Str omungen,Hei2delberg Ger many,1998.·5·2005年2月 钟北京等:甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟。