微动力装置均质催化压燃过程的模拟

基于甲烷气相反应化学动力学机理,耦合甲烷在铂(Pt)表面催化反应机理对微型自由活塞式动力装置带有催化燃烧的均质充量压缩燃烧(HCCI)过程进行数值模拟研究,实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法.在此基础上对微燃烧室底部添加催化剂的模型与未添加催化剂的模型模拟结果进行了对比.根据H2O2质量分数变化曲线定义了微自由活塞动力装置开始着火时段.通过数值模拟发现,催化燃烧可以使着火时刻提前,压缩比减小,滞燃期缩短,燃料燃烧产生能量的使用效率提高,拓宽微自由活塞压缩均质混合气着火界限;而且得到了催化作用对微燃烧室内温度、压力等因素的影响情况.结果表明:催化作用可以降低微燃烧室内最高燃烧压力及最大压力升高率,从而降低微自由活塞动力装置运行粗暴性,使工作过程平稳.     

甲烷和氢气在亚毫米微燃烧室内燃烧的试验对比

在碳化硅材料的亚毫米尺度微燃烧室内,针对甲烷和氢气两种不同燃料进行了燃料与氧气预混合燃烧的试验。利用热电偶测出燃烧室壁面温度并进行了分析。结果表明:在燃料和氧气的总体积流量相同时,燃用甲烷时燃烧室的壁面平均温度更高,但氢气的燃烧室壁面温度更加均匀,梯度更小;氢气比甲烷有更宽的可燃范围,试验时甲烷/氧气在总体积流量为700mL/min、混合比为化学当量比时燃烧不能进行,而氢气和氧气在相同条件下能够燃烧。     

烷烃催化燃烧的数值模拟

对甲烷、乙烷在表面涂有催化剂的微元管内的催化燃烧进行了模拟．讨论了微元管入口速度、直径、入口温度以及混合气中甲烷与氧气的摩尔比对甲烷催化燃烧特性的影响;分析了单体式蜂窝块中甲烷的着火温度及单个微元管中气体温度、主要气相组分与表面组分的质量分数的变化趋势．分析了不同混合气及不同混合气摩尔比下乙烷的催化燃烧特性,数值模拟结果与实验结果基本一致;提出了碳原子数为3或大于3的烷烃催化反应简化机理的建立方法．为在内燃机中实现催化燃烧以降低氮氧化合物、未燃碳氢化合物及一氧化碳的排放,及扩展燃烧极限提供了理论依据．     

氢气对超低体积分数甲烷催化燃烧的影响

搭建了催化燃烧实验台,在保证催化燃烧室入口气体温度、流速相同的情况下,通过改变气体中甲烷和氢气的体积分数,得到不同体积分数甲烷气体在加入不同体积分数氢气情况下的催化燃烧特性.结果表明:在保证催化燃烧时入口气体温度为520℃条件下,加入低体积分数的氢气可有效加快甲烷催化燃烧的反应速度,降低甲烷的起燃温度,提高甲烷转化率;加入的氢气体积分数越高,对甲烷的催化燃烧助燃效果越好;而甲烷体积分数越高,氢气对甲烷的催化燃烧效果也越显著.     

氢气/空气预混合微尺度催化燃烧

通过耦合专用软件FLUENT和CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及预混合气体入口速度和管径对催化燃烧反应的影响.计算结果表明,表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;入口速度和管径对氢气的催化燃烧过程有重要的影响,在入口速度较小时,燃烧主要是空间气相化学反应,随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素,在入口速度较大时,燃烧主要是表面催化燃烧过程;随着管径的减小,微型管道内反应的最高温度降低.此结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据.     

催化微燃烧室内氢气/空气预混合燃烧特性

采用实验方法和数值模拟对微尺度催化燃烧室内氢气/空气预混合燃烧过程进行了研究.通过实验对不同工况下燃烧室内的反应类型进行界定,并分析了各反应类型下的燃烧特性.采用氢氧气相反应动力学和表面反应机理进行数值模拟,获得了燃烧室内各组分的变化规律.结果表明:随着当量比的改变,催化燃烧室中的耦合反应与纯表面反应之间会发生相互转变现象,且耦合反应的外壁面温度始终高于纯表面反应的外壁面温度;当燃烧室内发生耦合反应时,燃烧室的壁面温差随当量比的增大而增大,而发生纯表面反应时,随当量比的增大而减小;耦合反应中的气相反应强度随着当量比的增加变得更剧烈,且对表面催化反应的影响更明显;燃烧室内发生耦合反应时的燃料转化率始终高于仅发生纯表面催化反应时的燃料转化率.     

表面催化重整反应对热棒点燃预混气影响的理论分析

对CH4、水蒸汽和空气的预混气在涂有催化剂的热棒表面的着火进行了计算分析,并与实验结果作对比。实验和计算结果都表明,该催化剂使重整反应能够在较低温度下(200-500C)发生,产生少量H2。由于H2的高反应率和高扩散性对预混气性质育显著影响,大大降低了着火温度。对于改善烃类燃料的掺水燃烧有重要意义。传统的催化燃烧是用贵金属催化剂直接催化氧与燃料间的氧化反应,降低着火温度。与其不同,采用廉价含稀土的镍催化材料,催化燃料与水蒸汽的重整反应,使之在固体表面生成H2,利用H2来改善燃烧,是一种“间接”的催化燃烧。     

微通道内预混氢/空气催化燃烧的实验研究

在304不锈钢微通道和铂催化微通道内进行氢气-空气的燃烧实验,分析了有/无催化条件下,进气流速对微通道内燃烧特性的影响,并测量了通道出口的排气温度.实验结果表明,有/无催化微通道外壁面中心线温度均随进气流速的增加而逐渐升高,但无催化微通道外壁面中心线温度最高点一直保持在通道入口附近,而催化微通道外壁面中心线最高温度点向...     

甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响

利用化学反应动力学机理研究了甲烷－空气预混火焰添加H2的着火和燃尽特性。通过分析计算,讨论了氢气对甲烷燃烧过程及着火温度、燃烧速率、燃尽时间的影响。结果表明,甲烷火焰中少量氢气的存在不仅可以降低甲烷的着火温度,而且可以显著增大燃烧速率,缩短燃尽时间,这些结果与已有的实验结果吻合。     

氢气辅助正丁烷催化着火特性

针对氢气辅助正丁烷在Pt催化剂表面的着火特性，设计了实验系统，重点讨论了氢气量、催化剂长度、正丁烷当量比和雷诺数对着火过程的影响。实验结果表明，氢气量增加能够使着火过程变快；催化剂长度减小到一定程度不能引发正丁烷着火；随当量比和混合气总流量增加，正丁烷着火温度下降，相对于扩散和表面吸附作用，气相正丁烷的表面反应成为影响反应进程的关键性因素。     

铂基催化剂快速部分催化氧化甲烷的研究

以Al2O3为载体,采用浸渍法制备Pt/Al2O3催化剂,通过测量重整反应过程中催化剂的温度分布情况,研究了改变甲烷快速部分氧化重整反应中反应条件(反应气体预混合温度、N2体积比例、CH4/O2比)对反应物的转化率及产物选择性的影响。研究发现,催化剂床层温度的上升可以促进CH4的转化,使H2和CO的选择性升高且H2与CO的物质的量的比(简称H2/CO比,依此类推)升高。N2体积比例及CH4/O2比的升高,会降低催化剂床层温度,进一步造成CH4的转化率和H2/CO比降低,但与仅降低混合气预热温度不同的是,提高N2体积比例及CH4/O2比会造成H2和CO的选择性升高,这可能是催化剂表面的活性氧导致的。通过对甲烷在Pt催化剂上的反应机理进行了初步讨论,认为甲烷的快速部分催化氧化反应为多种反应路径共存,不同的反应条件下各种反应路径所占比例会发生变化。     

甲烷快速部分氧化重整试验研究

采用常规浸渍法制备了Rh/α-Al2O3催化剂,建立了甲烷快速部分氧化重整试验体系。通过控制变量法,考察了甲烷快速部分氧化重整反应中反应条件参数(CH4/O2、反应气体预混合温度、空速)变化对反应物的转化率、反应产物及分布的影响。试验结果表明,在试验条件下,CH4的转化率始终大于85%,O2转化率接近100%,CO的选择性为85%左右,H2的选择性为40%～60%。反应过程大致为催化剂入口处的部分氧化反应和下游的水蒸气重整,大部分的CO由部分氧化产生,而H2的产生受水蒸气重整反应的影响较大;随着反应温度的上升,CH4的转化率上升,CO,H2的选择性也上升;随着空速的增大,H2的选择性减小,表明甲烷催化部分氧化反应是一个受传质控制的反应。     

定壁温下甲烷自热重整产氢暂态特性数值模拟

采用甲烷自热重整的详细反应机理,通过数值模拟的方法研究了恒壁温、微型直通道内的CH4、O2、H2O镍基催化剂上的自热重整反应。重点分析了混合物组分及质量流量对自热重整产氢暂态特性的影响。结果表明,在较高温度下,微型反应器出口H2产量达到最大值所需的时间受混合气质量流量影响较大,而受混合物组分影响很小;氢气产量达到稳定所需的时间随H2O、CH4摩尔比的增大而缩短,随O2/CH4摩尔比的增大而增长。CH4/O2/H2 O摩尔比为1∶0.5∶3.5时,氢气体积分数可在90 ms时稳定于54%。     

添加剂对甲醇均质充量压燃燃烧的影响

采用零维详细化学动力学模型,模拟了分别加入H2O2、CH2O两种添加剂的甲醇HCCl燃烧,分析了这两种添加剂对甲醇燃烧的影响.结果表明:H2O2、CH2O在缸内分解产生OH活性基,提高了OH的浓度,甲醇着火时刻提前,并且提高了缸内的压力和温度峰值.同时,CH2O能提高平均指示压力,H2O2通过控制着火时刻来影响平均指示压力的大小.     

氮气稀释气对天然气着火特性的影响

为获得氮气稀释气对天然气着火特性的影响规律,对不同当量比、初始压力、初始温度以及氮气稀释系数下天然气的着火延迟时间进行了试验测试与数值计算,并分析了氮气稀释气对其着火特性的影响机理。结果表明,随初始温度的变化天然气着火延迟时间呈线性变化趋势;天然气的着火延迟时间随初始温度或初始压力的升高逐渐缩短,且受当量比的影响不明显;随着氮气稀释系数的增加,天然气的着火延迟时间逐渐延长,且促进天然气着火的关键反应步,■的敏感性系数将大幅度下降。     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃过程详细化学反应动力学数值模拟研究(Ⅰ)--二甲基醚反应机理研究

应用零维详细化学反应动力学模型对二甲基醚均质压燃燃烧反应机理进行了数值模拟研究。结果表明二甲基醚放热反应为典型的双阶段放热反应，经历低温反应、负温度系数区域和高温反应三个过程．高温反应又分为蓝焰和热焰两个阶段。二甲基醚自燃着火由过氧化氢(H2O2)分解所控制，甲醛(CH2O)是过氧化氢的主要来源。基于化学敏感性分析．得到了均质压燃二甲基醚反应的主要途径：首先是二甲基醚脱氢，经过两次加氧后得到甲醛基；然后生成甲酸基(HCO)；最后生成一氧化碳(CO)。在二甲基醚的氧化反应过程中，氢氧根(OH)发挥着重要的作用，它是二甲基醚脱氢反应和CO氧化过程中的主要自由基。     

掺杂H2和CO2对二甲醚燃烧的耦合化学作用研究

对掺杂H2和CO2的二甲醚预混火焰进行研究,分析H2和CO2的化学效应对二甲醚燃烧火焰温度、主要产物、中间产物和自由基的耦合影响。结果表明,在10%H2条件下,CO2浓度越高,其化学效应对温度下降,二甲醚消耗,乙炔、甲醛、乙醛及H生成的抑制作用越强,对O、OH生成的促进作用也越强;H2的化学效应对温度升高和二甲醚燃烧的促进作用随CO2浓度升高而增强,对H生成的促进作用随CO2浓度升高而减弱,对O、OH、乙炔、甲醛及乙醛生成的促进作用与CO2浓度无关。     

Numerical studies of catalytic combustion in a catalytically stabilized combustor

This work aims to investigate numerically the catalytic combustion of a catalytically stabilized combustor. The numerical model treated a catalytic channel deposited with Pt and used a plug model of laminar, one‐dimensional, and steady‐state flow. The predicted conversions of mixture and ignition temperatures of surface reaction agreed well with the measured data when a multi‐step mechanism was used for the CH₄ surface reaction over Pt. The flame speed of a mixture supported by catalytic surface reaction was found to increase compared with a mixture without a catalytic combustion. CO mole fractions were analysed for three cases—gas reaction, surface reaction, and gas reaction coupled with surface reaction. The case of solely gas reaction produced the most CO emission and the case of solely surface reaction generated the least CO emission. The position where flame ignites was also evaluated numerically. There was only a small difference between the measured and predicted results on the starting points of flame in the catalytic channel. As a result, the plug model was shown to model surface ignition very well, however, it did not predict well the position of flame ignition. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

CO2稀释对甲烷-高温空气扩散燃烧及NO生成特性影响的化学动力学分析

基于GRI-Mech 3.0详细化学反应机理,利用OPPDIF Code研究了CO2稀释比、预热温度及拉伸率对甲烷-高温空气层流对冲扩散火焰温度、热释放率、组分摩尔分数及NO生成特性的影响.研究结果表明,CO2稀释助燃空气能有效降低火焰中H、O及OH等基团摩尔分数,抑制燃烧过程链传播及链引发反应,从而减缓CH4氧化速率.随着助燃空气中CO2稀释比的增加,火焰最高温度逐渐降低,主氧化区及第二氧化区放热峰值变小,燃烧反应高温区变窄,NO生成指数E显著降低.当稀释比大于20%时,热力型NO随助燃空气温度升高规律并不明显.随着CO2稀释比的增加,快速型NO对NO生成量影响逐渐增强,成为高CO2稀释比下甲烷-高温空气扩散燃烧NO生成的主要路径.     

边界条件对正庚烷均质压燃燃烧过程的影响

应用零维详细化学反应动力学模型,对不同边界条件下正庚烷（n—heptane）均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究,得出了以初始温度和燃料当量空燃比这两类边界条件为函数,压缩比为17,转速为1400r／min的HCCI全工况解。结果表明：HCCI燃烧分为完全燃烧区域、低温反应和蓝焰反应区域、仅发生低温反应区域和失火区域;不发生热焰反应的关键是反应H＋O2=O＋OH进行程度浅,不能生成足够的OH自由基使CO氧化成CO2;蓝焰反应也不发生而仅发生低温反应的关键是H2O2分解反应的进行程度浅,H2O2只有在缸内温度达到1000K时才能快速分解,这就不能生成足够的OH自由基使甲醛转化成CO2低温反应和蓝焰反应区域是高CO排放区,仅发生低温反应的区域是高甲醛排放区。