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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