小分子碳氢燃料微尺度催化燃烧

《小分子碳氢燃料微尺度催化燃烧》围绕基于燃烧的微动力装置研究了小分子碳氢燃料(氢气、甲烷、二甲醚和正丁烷)在Pt催化剂表面上的催化着火与燃烧特性，尤其是对正丁烷及其氢气辅助催化着火与燃烧过程进行了系统的实验研究、化学反应动力学分析和数值模拟。主要内容包括微动力系统及其微燃烧的强化，微小尺度燃烧实验系统，小分子碳氢燃料(C0~C4)在Pt催化剂上的表面催化反应机理、催化着火特性及氢气辅助催化着火特性，氢气在催化着火中的热作用与化学作用机制，催化燃烧中气相反应和表面催化反应的相互作用，以及正丁烷在Swiss-roll燃烧器内的催化燃烧特性等。《小分子碳氢燃料微尺度催化燃烧》可供能源动力、航空航天、环境化工等领域的科研人员参考，也可供相关专业高年级本科生和研究生使用。

前言
第1章 微动力系统及其微燃烧的强化 1
1.1 基于燃烧的微动力系统 1
1.1.1 背景与意义 1
1.1.2 微动力系统的发展 2
1.2 微动力系统与微燃烧的挑战 22
1.3 热循环强化微尺度燃烧 24
1.4 催化反应强化微尺度燃烧 28
1.4.1 催化反应对着火和燃烧性能的影响 28
1.4.2 表面催化反应与气相反应的相互影响 31
1.5 加氢强化微尺度燃烧 34
1.5.1 氢气对催化着火和燃烧的影响 34
1.5.2 氢气对催化燃烧的热作用与化学作用 36
1.6 本章小结 37
参考文献 37
第2章 微小尺度燃烧实验系统 44
2.1 引言 44
2.2 实验系统组成及功能 44
2.2.1 燃料和氧化剂供应系统 45
2.2.2 测量与数据处理系统 46
2.2.3 计算机界面设计 49
2.2.4 点火系统 51
2.2.5 加热与保温系统 52
2.2.6 微燃烧(反应)器 53
2.3 微尺度燃烧实验台架 55
2.4 实验系统的误差分析 56
2.5 本章小结 57
参考文献 57
第3章 C0~C4催化反应机理 59
3.1 引言 59
3.2 机理构建的总体思路 60
3.2.1 表面催化反应的主要过程 60
3.2.2 机理构建的方法 61
3.3 H2和CH4机理 62
3.4 C2子机理 63
3.5 C3~C4催化反应机理 66
3.5.1 C3~C4子机理的构建 67
3.5.2 反应动力学参数 73
3.5.3 反应机理的优化 75
3.6 反应机理的进一步验证 77
3.6.1 氢气的催化着火 77
3.6.2 乙烷与丙烷的催化着火 78
3.6.3 丙烷的氢气辅助催化着火 79
3.6.4 正丁烷催化着火 80
3.6.5 正丁烷的氢气辅助催化着火 80
3.6.6 正丁烷催化燃烧 82
3.7 本章小结 82
参考文献 83
第4章 正丁烷催化着火特性 86
4.1 引言 86
4.2 催化着火的实验研究 87
4.2.1 实验过程 87
4.2.2 流速(Re)对催化着火温度的影响 88
4.2.3 当量比对催化着火温度的影响 90
4.3 催化着火的数值模拟 93
4.3.1 反应器物理模型 93
4.3.2 数学模型 94
4.3.3 表面催化反应动力学模型 95
4.3.4 计算结果合理性验证 96
4.4 催化着火过程的动力学分析 97
4.4.1 化学计量比混合物的着火过程 97
4.4.2 当量比对催化着火的影响 100
4.4.3 混合物初始温度对催化着火的影响 101
4.5 本章小结 102
参考文献 103
第5章 氢气辅助催化着火特性 105
5.1 引言 105
5.2 实验方法与过程 105
5.3 氢气/空气混合物的催化着火 107
5.4 热着火与氢气辅助催化着火 108
5.5 甲烷和二甲醚的氢气辅助催化着火特性 110
5.5.1 流速(Re)对最小氢气量的影响 110
5.5.2 当量比对最小氢气量的影响 112
5.6 正丁烷的氢气辅助催化着火特性 113
5.6.1 贫燃料正丁烷/空气混合物的氢气辅助催化着火 113
5.6.2 不同氢气量下正丁烷/空气混合物的催化着火特性 115
5.6.3 雷诺数对氢气辅助催化着火特性的影响 118
5.6.4 当量比对氢气辅助催化着火特性的影响 120
5.6.5 催化剂长度对氢气辅助催化着火特性的影响 121
5.6.6 催化剂负载密度对氢气辅助催化着火特性的影响 123
5.6.7 氢气供给方式对辅助催化着火的影响 125
5.6.8 燃烧器外壁散热的影响 126
5.7 氢气辅助催化着火过程的数值模拟 127
5.7.1 计算模型 127
5.7.2 计算结果与分析 128
5.8 本章小结 133
参考文献 134
第6章 氢气辅助催化着火的热作用与化学作用 136
6.1 引言 136
6.2 氢气在正丁烷/空气混合物催化着火中的热作用和化学作用 136
6.3 化学作用的临界氢气量 138
6.4 正丁烷氢气辅助催化着火动力学分析 140
6.4.1 正丁烷起燃温度和临界氢气量 141
6.4.2 氢气在催化着火中的热作用与化学作用机制 142
6.5 氢气对催化着火过程影响的非稳态数值模拟 150
6.6 本章小结 158
参考文献 158
第7章 微尺度催化燃烧中气相反应和表面催化反应的相互作用 159
7.1 引言 159
7.2 正丁烷气相反应机理 161
7.2.1 正丁烷气相反应机理的构建 161
7.2.2 正丁烷气相反应机理的验证 166
7.3 实验研究与数值模拟 171
7.3.1 实验系统与实验方法 171
7.3.2 计算模型和反应机理 172
7.4 三种典型工况的实验结果 173
7.4.1 富燃料工况 173
7.4.2 化学计量比工况 176
7.4.3 贫燃料工况 180
7.4.4 不同工况的简要讨论 183
7.5 气相反应和表面催化反应作用机制 184
7.5.1 催化反应控制区 184
7.5.2 气相反应控制区 186
7.5.3 联合控制区动力学分析 188
7.5.4 表面催化反应对气相反应的影响 191
7.6 本章小结 193
参考文献 194
第8章 正丁烷在Swiss-roll燃烧器内的催化燃烧特性 197
8.1 引言 197
8.2 微小型Swiss-roll催化燃烧器的初步设计与改进 198
8.2.1 微小型Swiss-roll催化燃烧器的初步设计 198
8.2.2 微小型Swiss-roll催化燃烧器的改进设计 201
8.3 正丁烷在改进的Swiss-roll燃烧器内的燃烧特性 203
8.3.1 氢气辅助催化着火 204
8.3.2 燃料在改进的Swiss-roll燃烧器内的熄火极限 204
8.3.3 改进的Swiss-roll燃烧器壁面温度分布 207
8.4 催化剂对Swiss-roll催化燃烧器性能的影响 211
8.5 氢气对Swiss-roll催化燃烧器性能的影响 216
8.6 本章小结 221
参考文献 222
附录 224
附录A 正丁烷在Pt上的表面催化反应机理 224
附录B 正丁烷气相反应机理 228