本文關(guān)鍵詞：微尺度燃燒條件下常用碳氫燃料反應(yīng)機理的簡化

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【摘要】：伴隨著微機電系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展,對高功率、長壽命電力供給單元的需求日益迫切。基于微尺度燃燒的動力系統(tǒng)以其能量密度高、成本低、污染小等優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注,其核心是微尺度下碳氫燃料的燃燒過程。為了能盡可能準確而快速地模擬微尺度燃燒過程,亟需能體現(xiàn)微尺度燃燒特性的簡化反應(yīng)機理。但目前的簡化機理大多是針對常規(guī)尺寸的燃燒而簡化的,在反應(yīng)尺度和滯留時間上與微尺度燃燒有很大區(qū)別。基于這一背景,本文面向微尺度燃燒的特點對常用碳氫燃料的詳細反應(yīng)機理進行簡化。論文先對反應(yīng)機理簡化的意義和簡化方法進行了闡述,并重點介紹了基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法和敏感性分析法,后基于微尺度燃燒條件利用這兩種方法對常用碳氫燃料預(yù)混合燃燒的反應(yīng)機理進行了簡化。首先,對氫氣/氧氣燃燒的詳細反應(yīng)機理進行了簡化。由于采用的方法不同,分別得到12步簡化機理和17步簡化機理,并將它們和詳細反應(yīng)機理分別用于PSR模型進行計算和對比分析,結(jié)果表明,綜合使用基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法和敏感性分析法得到的簡化機理(17步)的計算結(jié)果更接近詳細機理。其次,對甲烷與氧氣反應(yīng)的詳細機理進行了簡化。簡化時,選擇GRI-Mech3.0作為詳細機理,分別采用基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法和敏感性分析法進行簡化。前者獲得了10組分19步的簡化機理。應(yīng)用PSR模型對簡化機理的適用范圍進行驗證,結(jié)果表明,簡化機理能在當量比0.5~1.6范圍內(nèi)預(yù)測溫度和關(guān)鍵組分。后者簡化得到19組分38步機理。通過對比簡化機理和詳細機理的PSR模型和層流預(yù)混火焰模型的計算結(jié)果,得出的最大誤差不超過10%。應(yīng)用PSR模型對38步簡化機理的適用范圍進行驗證,結(jié)果表明,簡化機理適用于體積為0.1cm3~0.8cm3的燃燒器,且在當量比0.5~1.5范圍內(nèi),簡化機理與詳細機理吻合度均較高。再次,采用敏感性分析法對甲烷與空氣反應(yīng)的詳細機理進行了簡化。并且與甲烷和氧氣反應(yīng)的簡化機理類似,對甲烷和空氣反應(yīng)的簡化機理的適用范圍進行了驗證。本文也采用實驗和模擬相結(jié)合的方法對簡化機理進行了驗證。利用Fluent軟件對簡化機理進行計算,所得的結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)較為一致,最大誤差不超過4%,進一步證明了簡化機理的準確性。文章最后對簡化機理在催化燃燒中的適用性進行了研究。利用PSR模型,分別使用17步氫氧氣相簡化機理和38步甲烷/氧氣氣相簡化機理與各自的表面機理進行耦合計算,并和詳細機理耦合計算的結(jié)果進行比較,結(jié)果表明,使用簡化機理時的溫度和關(guān)鍵組分的值都和使用詳細機理時接近,最大誤差不超過6%。
【關(guān)鍵詞】：微尺度燃燒 機理簡化 敏感性分析 直接關(guān)系圖法 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-19
• 1.1 微動力系統(tǒng)的概況12
• 1.2 微尺度燃燒的研究概況12-14
• 1.2.1 微尺度燃燒的定義與優(yōu)點12-13
• 1.2.2 微尺度燃燒面臨的問題13
• 1.2.3 國內(nèi)外微尺度燃燒的數(shù)值模擬研究13-14
• 1.3 機理簡化的研究概況14-18
• 1.3.1 詳細反應(yīng)機理的研究14-16
• 1.3.2 國內(nèi)外機理簡化的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3.3 機理簡化的意義17-18
• 1.4 本文主要的研究內(nèi)容18-19
• 第二章 計算模型及機理簡化方法19-26
• 2.1 Chemkin軟件簡介19-21
• 2.1.1 PSR模型19-20
• 2.1.2 層流預(yù)混火焰模型20-21
• 2.2 基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法21-22
• 2.3 敏感性分析法22-23
• 2.4 Fluent軟件簡介23-25
• 2.4.1 基本控制方程24-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 第三章 微尺度條件下H_2/O_2反應(yīng)機理的簡化26-36
• 3.1 計算模型26-28
• 3.1.1 物理模型26
• 3.1.2 氫氣反應(yīng)機理26-28
• 3.2 計算結(jié)果與分析28-32
• 3.2.1 基于DRGEP方法的簡化結(jié)果分析28-29
• 3.2.2 基于敏感性分析的結(jié)果29-32
• 3.3 簡化機理的驗證32-33
• 3.4 實驗驗證33-34
• 3.5 本章小結(jié)34-36
• 第四章 微尺度條件下CH_4/O_2反應(yīng)機理的簡化36-53
• 4.1 計算模型與邊界條件36
• 4.1.1 物理模型36
• 4.1.2 邊界條件36
• 4.2 基于DRGEP法的簡化結(jié)果分析36-40
• 4.2.1 機理簡化結(jié)果36-38
• 4.2.2 簡化機理的驗證38-40
• 4.3 基于敏感性分析法的簡化結(jié)果分析40-51
• 4.3.1 機理簡化結(jié)果40-43
• 4.3.2 簡化機理的驗證43-46
• 4.3.3 簡化機理適用的體積范圍46-48
• 4.3.4 簡化機理適用的當量比范圍48-49
• 4.3.5 簡化機理的應(yīng)用49-51
• 4.4 實驗驗證51-52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 第五章 微尺度條件下CH_4/Air反應(yīng)機理的簡化53-65
• 5.1 計算模型與邊界條件53-54
• 5.1.1 物理模型53
• 5.1.2 邊界條件53-54
• 5.2 基于敏感性分析的簡化結(jié)果分析54-57
• 5.3 簡化機理的驗證57-61
• 5.3.1 簡化機理和詳細機理在PSR模型中的驗證57-59
• 5.3.2 不同當量比條件下的驗證59-60
• 5.3.3 簡化機理適用的體積范圍60-61
• 5.4 簡化機理在Fluent中的應(yīng)用61-63
• 5.4.1 計算模型與邊界條件61
• 5.4.2 兩種機理的模擬計算結(jié)果61-63
• 5.5 實驗驗證63-64
• 5.6 本章小結(jié)64-65
• 第六章 氣相簡化機理與表面反應(yīng)機理的耦合計算65-72
• 6.1 微通道內(nèi)H_2/O_2耦合反應(yīng)的數(shù)值模擬65-68
• 6.1.1 計算模型與邊界條件65-66
• 6.1.2 計算結(jié)果分析66-68
• 6.2 微通道內(nèi)CH_4/O_2耦合反應(yīng)的數(shù)值模擬68-71
• 6.2.1 計算模型與邊界條件68-69
• 6.2.2 計算結(jié)果分析69-71
• 6.3 本章小結(jié)71-72
• 第七章 總結(jié)與展望72-74
• 7.1 總結(jié)72-73
• 7.2 展望73-74
• 致謝74-75
• 參考文獻75-79
• 碩士期間發(fā)表的論文79
• 碩士期間申請的專利79

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本文編號：827317