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催化燃烧过程中的气相火焰

工程热物理学报 2024年第5期45卷 1534-1547页

作者：隋然清华大学能源与动力工程系、燃烧能源中心北京100084

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年... 详细信息

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年来贵金属催化通道内预混层流火焰的最新研究进展,简要梳理了催化通道内催化气相燃烧的控制方程、数值模型、点火和传递条件,以及氢气、合成气、甲烷、丙烷、正癸烷等重要燃料在铂、铑、钯等催化通道内的贫燃和富燃燃烧时的火焰形态和特性,尤其是化学、流动和传热传质等方面的决定因素。

关键词：催化燃烧催化-气相耦合燃烧微尺度燃烧气-固耦合贵金属催化

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预混火焰在封闭狭缝内传播动力学研究

工程热物理学报 2024年第3期45卷 886-894页

作者：霍杰鹏苏航蒋利桥汪小憨中国科学院广州能源研究所广州510640 中国科学院可再生能源重点实验室广州510640 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室广州510640 上海空间推进研究所上海201112

本文构建了一个封闭圆盘狭缝空间的一维平面火焰动力学模型,研究了存在壁面热损失条件下可燃混合物在封闭的圆盘狭缝定容装置内火焰的传播特性。模型预测结果与实验结果定性地吻合。模型表明显示,壁面散热降低火焰传播速度的机制在于其... 详细信息

本文构建了一个封闭圆盘狭缝空间的一维平面火焰动力学模型,研究了存在壁面热损失条件下可燃混合物在封闭的圆盘狭缝定容装置内火焰的传播特性。模型预测结果与实验结果定性地吻合。模型表明显示,壁面散热降低火焰传播速度的机制在于其使高温已燃气体向低温未燃气体方向的膨胀能力减小,导致火焰前锋的当地流场速度降低,而且同时降低了火焰温度和燃烧反应速率。因此增大初始压力或掺氢气等低活化能的反应物能够有效降低壁面散热的不利影响。该计算模型能够丰富微小尺度封闭空间内火焰传播相关理论,并提供在微小封闭空间内提高火焰传播速度和燃烧效率的理论依据和调控手段。

关键词：层流火焰微尺度燃烧壁面散热火焰动力学

柴油微尺度燃烧模型构建及燃烧特性影响规律研究

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内燃机工程 2022年第5期43卷 8-15页

作者：韩恺刘超凡魏石磊梁永森北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401133 中国北方发动机研究所天津300400

基于CONVERGE三维计算平台构建了耦合柴油化学反应动力学的微尺度燃烧模型,分别研究了初始环境压力、初始环境温度和狭缝间距对燃烧特性的影响。结果表明:初始环境压力越大,初始环境温度越小,狭缝间距越大,瞬时放热率峰值越高且对应时... 详细信息

基于CONVERGE三维计算平台构建了耦合柴油化学反应动力学的微尺度燃烧模型,分别研究了初始环境压力、初始环境温度和狭缝间距对燃烧特性的影响。结果表明:初始环境压力越大,初始环境温度越小,狭缝间距越大,瞬时放热率峰值越高且对应时刻越早,最高燃烧温度越高。燃烧前近稳态压力决定是否可以实现微尺度燃烧,燃烧前近稳态压力高于0.69 MPa时方可实现燃烧。

关键词：微尺度燃烧正庚烷化学反应机理参数影响规律

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航空模型燃料掺混氢气的微尺度燃烧数值模拟

航空动力学报 2023年

作者：陈星赫苏晟王娟北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室

对二维三级后台阶微尺度燃烧器中以三种碳氢化合物(69% C10H22、11% C9H18、20% C9H12)混合的Jet A-1模型燃料与氢气的掺混在纯氧中的燃烧进行了数值模拟，分析了燃料掺氢比、进气流速对微燃烧器内燃烧特性的影响。结果表明，所有火焰... 详细信息

对二维三级后台阶微尺度燃烧器中以三种碳氢化合物(69% C10H22、11% C9H18、20% C9H12)混合的Jet A-1模型燃料与氢气的掺混在纯氧中的燃烧进行了数值模拟，分析了燃料掺氢比、进气流速对微燃烧器内燃烧特性的影响。结果表明，所有火焰均可以稳定在微燃烧器第一后台阶(距离燃烧器入口3 mm处)之前。随着掺氢比增加，火焰位置逐渐前移，火焰长度缩短，且燃烧器内部的高温区面积减少，最高温度降低，上游燃烧强度更高但下游更低，CO和CH4质量分数减小，裂解反应的发生位置前移且裂解产物的质量分数降低。随着入口进气流速增加，燃烧反应的高温区扩大，火焰中心位置和火焰前沿向燃烧器出口移动和拉伸，掺氢比对壁面温度的影响减小，燃烧器中心线OH质量分数整体增加，CO2质量分数减小，CH4质量分数增加，且裂解反应的发生位置后移且产物质量分数增加。结果表明，低速下可以掺混少量氢气得到更高的壁温从而获取更多能量。低速可能影响燃烧区燃料燃烧时的化学反应，从而造成上游的OH生成量减小。掺氢比的增加以及流速的降低会使CO质量分数波动更加明显。CO2的质量分数最高时的掺氢比为25%。在高掺氢比和低速下，乙炔大部分是靠燃料直接裂解生成，只有少量是通过丙烯的二次裂解生成。

关键词：微尺度燃烧掺混燃烧燃烧特性火焰位置裂解

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微尺度燃烧中数值模拟模型选择研究

中国电机工程学报 2006年第Z1期26卷 81-87页

作者：张永生周俊虎杨卫娟刘茂省岑可法中国科学院工程热物理研究所北京市海淀区100080 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027

该文对微尺度燃烧数值模拟所选用的模型进行了研究.通过理论上对流动和燃烧的分析,认为用传统上的临界雷诺数来区分层流燃烧和紊流燃烧在微尺度燃烧中可能不能反应实际情况,小雷诺数下也存在紊流的可能;在所研究的微尺度管道中,实验表... 详细信息

该文对微尺度燃烧数值模拟所选用的模型进行了研究.通过理论上对流动和燃烧的分析,认为用传统上的临界雷诺数来区分层流燃烧和紊流燃烧在微尺度燃烧中可能不能反应实际情况,小雷诺数下也存在紊流的可能;在所研究的微尺度管道中,实验表明具有紊流特征,数值模拟和实验的对比表明,三维紊流燃烧模型比层流模型的温度分布更接近实际温度分布,能够相对较好地反应实际情况.同时在目前的数值模拟模型中,由于没有考虑熄火距离的影响,导致在微尺度燃烧模拟中会出现温度偏高的现象.

关键词：微尺度燃烧数值模拟层流紊流熄火距离

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微尺度燃烧过程中传热准则数分析

农业机械学报 2011年第12期42卷 197-201,219页

作者：潘剑锋周俊唐爱坤邵霞薛宏江苏大学能源与动力工程学院镇江212013 美国加州州立工业大学机械工程系

在微尺度条件下,由于对流传热和燃烧过程耦合发生在很小的范围内,因此微燃烧室内部的对流换热问题比较复杂。根据微燃烧室内部流动、传热和燃烧过程模拟计算的结果,采用无量纲分析方法,计算出表征距入口x处各通道截面平均对流换热强度... 详细信息

在微尺度条件下,由于对流传热和燃烧过程耦合发生在很小的范围内,因此微燃烧室内部的对流换热问题比较复杂。根据微燃烧室内部流动、传热和燃烧过程模拟计算的结果,采用无量纲分析方法,计算出表征距入口x处各通道截面平均对流换热强度的努塞尔数Nux,并分析入口参数对Nux的影响。对多组计算结果进行多元回归拟合,最终得到各截面平均Nux与雷诺数Rex、普朗特数Prx和无量纲变量θ之间的函数表达式。

关键词：微尺度燃烧传热准则数无量纲参数多元回归拟合

微尺度催化燃烧器中扩散“火焰街”的数值模拟研究

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热能动力工程 2022年第9期37卷 136-142页

作者：叶修斌康鑫武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070

针对三维Y型微通道内的非预混催化燃烧,选择GRI-Mech 3.0气相反应机理与Deutschmann表面催化机理开展了数值模拟研究,分析铂催化剂涂覆位置、催化剂涂覆面积等因素对通道内特殊“火焰街”现象的影响。结果表明:通道内壁面涂覆一定面积... 详细信息

针对三维Y型微通道内的非预混催化燃烧,选择GRI-Mech 3.0气相反应机理与Deutschmann表面催化机理开展了数值模拟研究,分析铂催化剂涂覆位置、催化剂涂覆面积等因素对通道内特殊“火焰街”现象的影响。结果表明:通道内壁面涂覆一定面积的铂催化剂可以显著改善燃烧器性能,提升其甲烷转换率以及燃烧效率;相较于内壁面催化剂全涂覆或通道后段局部涂覆的情况,当催化剂仅涂覆于通道前段局部时,甲烷转化率与燃烧效率的提升幅度达到最大,分别为3.5%与7%。

关键词：微尺度燃烧扩散火焰催化反应火焰街

亚大气压下AP/HTPB微尺度稳态燃烧的数值模拟

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火炸药学报 2021年第1期44卷 78-84页

作者：赵健锋余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为研究亚大气压下高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)的燃烧特性,采用三步反应动力学机理,建立二维三明治模型,耦合气固两相;对20~80kPa下AP/HTPB的微尺度燃烧进行模拟,并与高压下(4MPa)AP/HTPB燃烧特性差异进行对比。结果表明,亚大气压... 详细信息

为研究亚大气压下高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)的燃烧特性,采用三步反应动力学机理,建立二维三明治模型,耦合气固两相;对20~80kPa下AP/HTPB的微尺度燃烧进行模拟,并与高压下(4MPa)AP/HTPB燃烧特性差异进行对比。结果表明,亚大气压下BDP模型中第一步反应靠近燃面,放热量较大,在AP/HTPB推进剂燃烧过程中占主导地位;燃烧环境压强不同,导致火焰的特性不同,亚大气压下火焰中扩散与混合过程共存,高压下为扩散火焰;相比于高压,亚大气压火焰离燃面远,面积大;由于高低压下放热区域及放热率差异导致气固相温度分布不同,从而影响燃面形状,亚大气压下AP与HTPB交界处相对于整个燃面突出,而高压下交界处相对于整个燃面凹陷。

关键词：物理化学高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB) 亚大气压微尺度燃烧数值模拟

AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧模型及数值分析

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推进技术 2013年第11期34卷 1567-1574页

作者：曹永杰余永刚叶锐南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性... 详细信息

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性。结果表明,随着环境压力升高,燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构;压力越高,火焰热释放及其对燃面的热反馈越强,燃面的温度与燃速越高,燃速的计算结果与实验结果吻合较好;AP/HTPB交界点附近气体组分发生强烈的扩散反应,侧向速度对燃烧与流动有显著影响。

关键词：复合推进剂微尺度燃烧火焰结构燃速