内置多孔介质卷式反应器内甲烷富燃制氢的数值模拟

为了解甲烷在内置多孔介质卷式反应器内超绝热富燃制氢特性,采用计算流体力学与详细的化学反应机理相结合的方法,对甲烷在该反应器的富燃制氢过程进行了数值模拟,研究当量比和预混气体流速对燃烧区峰值温度、合成气组分和甲烷转化效率的影响,并和实验值进行对比。结果表明,多孔介质内甲烷的燃烧温度远超过其绝热火焰温度,实现了超绝热条件下富燃制氢;在研究范围内,甲烷-氢气的转化效率随当量比和气体流速的增大而增大,数值模拟结果与实验值基本吻合。     

多孔介质中甲烷水合物的生成特性研究进展

天然气水合物是一种清洁高效的能源,常常在自然界中的海底沉积物多孔介质孔隙中生成,同时水合物在工业上还能与多孔介质材料一起作为储存及分离气体的一种方式,因此开采利用水合物以及发挥水合物工业技术的前提都跟多孔介质有莫大的关系,对多孔介质中天然气水合物生成特性的研究进行总结与分析具有非常重要的意义。本文总结分析了国内外关于不同类型多孔介质中甲烷水合物的生成过程及特性的研究文献,将多孔介质根据其孔径大小进行划分。结果显示,在微孔介质中,甲烷水合物的生成侧重于气体的存储及运输方面;在介孔介质中,甲烷水合物的生成动力学受孔径影响较大;在大孔的沉积物中,甲烷水合物的生成及分布的机理性研究仍比较缺乏。因此,需要进一步的研究来丰富甲烷水合物在多孔介质中的生成动力学理论,本文将在文献调研的基础上为今后的研究方向提出一些展望和思路。     

两种形式多孔介质发动机燃用液体燃料的着火特性

融合一种新式燃烧理念的多孔介质发动机,能够实现发动机的均质、高效和稳定燃烧.为加深对两种形式多孔介质发动机燃用液体燃料着火特性的了解及探讨影响其各自压燃着火的因素,用改进的KIVA-3V对两种形式的多孔介质发动机燃用异辛烷的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度、多孔介质结构对两种形式发动机压燃着火的影响.计算结果表明,压缩比一定时,多孔介质初始温度是决定两种形式多孔介质发动机能否实现压燃着火的重要因素;与永久性接触型发动机相比,在较低的多孔介质初始温度下,即可保证周期性接触型发动机实现压燃着火;多孔介质结构通过改变多孔介质内气固两相换热及弥散作用影响两种形式多孔介质发动机的压燃着火.     

多孔介质内甲烷水合物生成动力学研究

天然气水合物作为一种潜在的新型潜在替代能源,分布广泛、储量巨大。水合物生成动力学特性对于了解自然界天然气水合物形成规律与水合物相关技术应用具有重大意义。针对甲烷水合物生成动力学特性进行研究,设计开发了甲烷水合物生成测试系统,研究了不同温度和不同孔隙粒径的多孔介质对于水合物生成动力学的影响。结果表明,随着温度的降低以及多孔介质孔隙粒径的减小,甲烷水合物生成过程中的气体消耗速率越快,生成结束时消耗的气体的量越多。同时,利用水合物生成多步骤机制模型,获得了甲烷水合物生成过程各中间产物的变化规律。     

含甲烷水合物多孔介质渗透性的实验研究

为研究多孔介质中甲烷水合物对其渗透性的影响,开发了一套适合在该条件下测量渗透性的实验装置。研究了多孔介质孔隙度与渗透率的关系;用BZ-01、BZ-02玻璃砂模拟多孔介质进行了渗透率测量实验,测试了不同甲烷水合物饱和度下多孔介质渗透率的变化情况。结果表明,多孔介质中甲烷水合物的存在会导致其渗透率急剧下降,饱和度-渗透率曲线呈指数分布。根据实验数据拟合出了渗透率随饱和度变化的经验公式,并将实验数据与渗透率模型进行了比较,发现在实验条件下生成的甲烷水合物符合平行毛细管模型,水合物占据毛细管中心,多孔介质中的流动形成环状流。     

多孔介质毛细升高特性的研究

在考虑重力的基础上,为研究多孔介质内部液相为非饱和状态下的毛细升高特性,建立数学模型,得出毛细升高高度与时间的函数关系。以多孔陶瓷管为实验对象,验证模型正确性并分析毛细升高高度变化的影响因素。结果表明颗粒直径越小,最终毛细升高的高度越大;在液体可流动的范围内,饱和度越低,其毛细升高高度越高;多孔介质倾斜角的大小影响毛细升高的长度,但初期的长度相同。     

多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究

应用计算流体力学软件Fluent,对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器中的实验现象进行了模拟,研究了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响.模拟结果表明:稳燃范围的大小与多孔介质热导率呈正相关趋势,较高的多孔介质热导率将会拓宽稳燃范围;随着壁面热导率的增加,稳燃范围与壁面热导率呈V型比例;多孔介质孔隙率也是影响稳燃范围的一个重要因素,在0.5~0.9的区间内,随着孔隙率的增大,稳燃范围也随之增大.     

多孔介质内甲烷碳同位素迁移扩散的分子动力学模拟研究

页岩气的储量丰富,但开采难度大,目前对其在复杂纳米级孔结构中的流动状态与性质的研究仍不清晰,特别是其碳同位素在含孔喉纳米孔中的分馏机理尚不明确.因此,文中使用分子动力学模拟方法研究了在353 K和不同压差(10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa和30 MPa)下,甲烷碳同位素分子(12 CH4和13 C...     

甲烷在多孔介质中过滤燃烧制氢的数值模拟

对燃料极富条件下(φ>2.0)甲烷在多孔介质中的部分氧化重整制取氢气的工艺过程进行了数值模拟.建立了一维定常双温度模型,采用详细化学反应机理GRI1.2,着重研究燃烧区峰值温度、主要化学组分的分布规律和氢气的转化效率.讨论了混合气体流速、当量比等参数对甲烷转化特性的影响.数值模拟结果与文献[4]的实验结果基本吻合.     

MTV富燃烟火剂低压燃烧特性分析

为研究镁/聚四氟乙烯/氟橡胶(MTV)富燃烟火剂在低压环境下的燃烧特性,建立了MTV烟火剂三维燃烧流动数值模型,采用9步简化反应机理耦合涡耗散概念燃烧模型描述有氧燃烧反应动力学过程．通过CO₂激光点火低压燃烧实验结果验证了模型的合理性．结果表明：压力降低和Mg含量增加均会造成火焰温度降低;Mg氟化反应产物MgF₂的分布核心与火焰高温区重合,低压下核心面积减小并向燃面移动;由于氧气分压降低,压力对Mg氧化反应速率的影响更明显．     

多孔介质微小燃烧器的传热特性分析

采用计算流体力学软件Fluent,对H_2/空气预混气在全填充多孔介质平板微燃烧器内的燃烧过程进行数值模拟.研究了多孔介质导热系数、壁面导热系数、当量比、孔隙率对微燃烧器回热循环的影响规律.模拟结果表明:预热区对流回热效率、多孔介质导热效率与多孔介质导热系数呈正相关趋势;壁面导热系数增大会使预热区对流回热效率下降,壁面对流回热效率上升;预热区对流回热效率、壁面对流回热效率与当量比呈负相关趋势;多孔介质孔隙率是影响回热效率的重要因素,随着孔隙率的增大,预热区对流回热效率下降,壁面对流回热效率上升.     

多孔介质中甲烷水合物的微观分布对电阻率的影响

电阻率测井技术是天然气水合物储层资源量估算的重要手段,明确储层电阻率与水合物在沉积物孔隙中微观分布的关系对准确估算水合物饱和度有重要意义。使用自主研发的天然气水合物计算机断层扫描（CT）技术-电阻率测量装置,开展多孔介质中甲烷水合物生成实验,同时进行CT观测与电阻率测试,得到了反应过程中扫描图像和电阻率数据,讨论了孔隙中水合物在不同微观分布模式下电阻率与水合物饱和度的关系。结果表明：水合物饱和度低于10.50%时,水合物以接触分布模式为主,与水合物对孔隙的填充效应相比,排盐效应更加显著,电阻率随水合物饱和度增大略有下降;水合物饱和度为10.50% ~ 22.34%时,水合物为悬浮与接触共存分布模式,悬浮分布模式下的水合物对孔隙水连通截面的阻塞作用较大,电阻率随水合物饱和度的增大急剧升高;水合物饱和度为22.34% ~ 27.50%时,水合物仍然为悬浮与接触共存分布模式,在大部分孔隙已被堵塞的情况下水合物的填充作用对电阻率影响较小,电阻率随水合物饱和度增大而升高的趋势逐渐变缓。可见,电阻率响应特性在不同的水合物饱和度范围下明显不同,与水合物的微观分布有关。     

回热式多孔介质发动机的排放特性分析

研究了回热式多孔介质发动机的排放特性.使用Ferrenberg所提出的回热式发动机模型,其多孔介质面热器在气缸中作往复运动.用改进的KIVA-3V程序进行了二维模拟.探讨了在不同当量比和孔隙率条件下,气缸内燃烧和排放特性.结果表明,回热式多孔介质发动机在燃烧和排放方面较之常规都有明显的优势.采用低当量比能有效地降低污染物的排放,而孔隙率的影响则与当量比有关.分析证明,采用多孔介质回热器是发动机实现稀薄燃烧的一条可供选择的途径.     

往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究

研究了往复式多孔介质燃烧器在冷态条件下气流在其中的流动特性规律。在多孔介质的类型和运行温度不变的情况下，往复式多孔介质燃烧器的压降与空截面流速的平方成正比，与多孔介质的厚度成正比；燃烧器的稳定时间基本不受多孔介质厚度和空截面流速的影响。建立了计算压降的简单数学模型，理论模型的计算结果与实验数据符合较好。     

表面特性对含水多孔介质的气体扩散特性的影响

为研究多孔介质材料的表面特性即亲水性和疏水性对其含水状态下的扩散特性的影响,基于材料的气孔分布特性,利用材料表面特性不同其液态水充填方式的差异,分析了不同接触角对多孔材料在含水状态下扩散特性的影响。结果表明,不同表面性质的多孔材料其扩散特性差异很大,疏水性多孔介质的渗透性能和扩散性能均低于亲水性多孔介质。     

多孔介质-双层玻璃幕墙传热与流动特性

基于多孔介质具有吸收和贮存太阳能的特点,在双层玻璃幕墙通道内设置了多孔介质层,利用多孔介质充分收集与贮存太阳能用于建筑供暖,并采用数值模拟法研究了幕墙的传热与流动特性.结果表明,玻璃幕墙能充分利用太阳能加热新风供暖,集热效率高又节能,有推广价值.     

往复式热循环多孔介质燃烧系统压力波动特性

对一种新型往复式热循环多孔介质燃烧系统压力动态特性进行了冷态试验研究,包括换向半周期、空截面流速、二次风比以及多孔介质结构参数对系统内部压力波动特性的变化规律.结果表明,随系统周期性的运行,系统内部各点压力动态分布呈现周期性拟矩形波变化;系统存在一个最小换向稳定时间;压力波动幅值随空截面流速和二次风比的增加而增大;多孔介质结构参数变化(孔径)对系统压力波动影响较小。     

基于多孔介质翼型的气动及降噪特性研究

文章提出了在尾缘吸力面填充多孔介质以降低整体多孔使用率,减少其对翼型结构及气动性能的影响。以NACA0018翼型为研究对象,采用大涡模拟方法及Ffocws-Williams and Hawkings(FW-H)声学类比方法比较分析了雷诺数为2.63×105的条件下,基准翼型、尾缘完全填充型及吸力面填充型多孔翼型的气动特性及降噪能力。分析结果表明：两类多孔翼型尾缘受多孔域影响,流场流动发生了变化,且随着攻角的增大,多孔介质对流体的扰动及分离作用被削弱;吸力面填充型翼型能有效降低声压波动及功率谱密度,其在低频区域的声压级分布低于基准翼型,并最终在0°攻角及0～25 kHz的计算频率下达到4.3 dB的降噪效果。针对两类多孔翼型的气动性能结果进行比较,在攻角为0～10°时,尾缘完全填充型翼型较基准翼型出现了1.1%～2.8%的升力系数损失;而吸力面填充型翼型的升力损失为0.8%～1.5%。此外,完全填充型及吸力面填充型翼型的阻力系数分别增加了8%～24%及2%～17%。     

基于急速混合管状火焰的甲烷富氧燃烧特性

采用一种将燃料与氧化剂分别切向喷注的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了甲烷富氧燃烧实验研究,探讨了稀释剂添加方案、流量以及燃烧器入口宽度对火焰结构的影响规律.实验结果表明,在燃料侧与氧化剂侧均注入二氧化碳稀释剂,且在两侧流速相同的情况下,火焰结构更均匀;随着燃料与氧化剂流量增大,混合效果增强;入口宽度越小,混合效果越佳,高氧气浓度下有效防止扩散火焰的形成,获得了当量比为1.0的纯氧稳定火焰.随着氧气浓度的升高,可燃范围增大,且不同入口宽度对可燃范围影响微小.     

多孔介质回热微燃烧器预混燃烧特性研究

设计了多孔介质回热徽燃烧器,对微燃烧器内H2/Ak的预混燃烧特性进行了实验研究和数值模拟,实验结果表明,当过量空气系数1.0＜α＜3.0时,微燃烧器具有较高的燃烧效率,出口烟气温度和较低的燃烧热损失率,且燃烧热功率P越高,α越大,热损失率越小.当P=100 W时,其出口烟气温度最高可达到1 232 K,当α=3.0时,燃烧效率仍达到96.85％,而热损失率仅为14.87％.数值模拟结果表明,由于采用了回热夹层和多孔介质回热结构,有效地回收了热量损失,使得微燃烧器具有良好的热性能.证明设计的多孔介质回热微燃烧器是一种燃烧效率高、热损失率低的微燃烧器.