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《小分子碳氫燃料微尺度催化燃燒》圍繞基於燃燒的微動力裝置研究了小分子碳氫燃料(氫氣、甲烷、二甲醚和正丁烷)在Pt催化劑表面上的催化著火與燃燒特性，尤其是對正丁烷及其氫氣輔助催化著火與燃燒過程進行了系統的實驗研究、化學反應動力學分析和數值模擬。主要內容包括微動力系統及其微燃燒的強化，微小尺度燃燒實驗系統，小分子碳氫燃料(C0～C4)在Pt催化劑上的表面催化反應機理、催化著火特性及氫氣輔助催化著火特性，氫氣在催化著火中的熱作用與化學作用機制，催化燃燒中氣相反應和表面催化反應的相互作用，以及正丁烷在Swiss-roll燃燒器內的催化燃燒特性等。
名人/編輯推薦
本書可供能源動力、航空航天、環境化工等領域的科研人員參考，也可供相關專業高年級本科生和研究生使用。
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目錄
前言
第1章 微動力系統及其微燃燒的強化 1
1.1 基於燃燒的微動力系統 1
1.1.1 背景與意義 1
1.1.2 微動力系統的發展 2
1.2 微動力系統與微燃燒的挑戰 22
1.3 熱循環強化微尺度燃燒 24
1.4 催化反應強化微尺度燃燒 28
1.4.1 催化反應對著火和燃燒性能的影響 28
1.4.2 表面催化反應與氣相反應的相互影響 31
1.5 加氫強化微尺度燃燒 34
1.5.1 氫氣對催化著火和燃燒的影響 34
1.5.2 氫氣對催化燃燒的熱作用與化學作用 36
1.6 本章小結 37
參考文獻 37
第2章 微小尺度燃燒實驗系統 44
2.1 引言 44
2.2 實驗系統組成及功能 44
2.2.1 燃料和氧化劑供應系統 45
2.2.2 測量與數據處理系統 46
2.2.3 計算機界面設計 49
2.2.4 點火系統 51
2.2.5 加熱與保溫系統 52
2.2.6 微燃燒(反應)器 53
2.3 微尺度燃燒實驗台架 55
2.4 實驗系統的誤差分析 56
2.5 本章小結 57
參考文獻 57
第3章 C0～C4催化反應機理 59
3.1 引言 59
3.2 機理構建的總體思路 60
3.2.1 表面催化反應的主要過程 60
3.2.2 機理構建的方法 61
3.3 H2和CH4機理 62
3.4 C2子機理 63
3.5 C3～C4催化反應機理 66
3.5.1 C3～C4子機理的構建 67
3.5.2 反應動力學參數 73
3.5.3 反應機理的優化 75
3.6 反應機理的進一步驗證 77
3.6.1 氫氣的催化著火 77
3.6.2 乙烷與丙烷的催化著火 78
3.6.3 丙烷的氫氣輔助催化著火 79
3.6.4 正丁烷催化著火 80
3.6.5 正丁烷的氫氣輔助催化著火 80
3.6.6 正丁烷催化燃燒 82
3.7 本章小結 82
參考文獻 83
第4章 正丁烷催化著火特性 86
4.1 引言 86
4.2 催化著火的實驗研究 87
4.2.1 實驗過程 87
4.2.2 流速(Re)對催化著火溫度的影響 88
4.2.3 當量比對催化著火溫度的影響 90
4.3 催化著火的數值模擬 93
4.3.1 反應器物理模型 93
4.3.2 數學模型 94
4.3.3 表面催化反應動力學模型 95
4.3.4 計算結果合理性驗證 96
4.4 催化著火過程的動力學分析 97
4.4.1 化學計量比混合物的著火過程 97
4.4.2 當量比對催化著火的影響 100
4.4.3 混合物初始溫度對催化著火的影響 101
4.5 本章小結 102
參考文獻 103
第5章 氫氣輔助催化著火特性 105
5.1 引言 105
5.2 實驗方法與過程 105
5.3 氫氣/空氣混合物的催化著火 107
5.4 熱著火與氫氣輔助催化著火 108
5.5 甲烷和二甲醚的氫氣輔助催化著火特性 110
5.5.1 流速(Re)對*小氫氣量的影響 110
5.5.2 當量比對*小氫氣量的影響 112
5.6 正丁烷的氫氣輔助催化著火特性 113
5.6.1 貧燃料正丁烷/空氣混合物的氫氣輔助催化著火 113
5.6.2 不同氫氣量下正丁烷/空氣混合物的催化著火特性 115
5.6.3 雷諾數對氫氣輔助催化著火特性的影響 118
5.6.4 當量比對氫氣輔助催化著火特性的影響 120
5.6.5 催化劑長度對氫氣輔助催化著火特性的影響 121
5.6.6 催化劑負載密度對氫氣輔助催化著火特性的影響 123
5.6.7 氫氣供給方式對輔助催化著火的影響 125
5.6.8 燃燒器外壁散熱的影響 126
5.7 氫氣輔助催化著火過程的數值模擬 127
5.7.1 計算模型 127
5.7.2 計算結果與分析 128
5.8 本章小結 133
參考文獻 134
第6章 氫氣輔助催化著火的熱作用與化學作用 136
6.1 引言 136
6.2 氫氣在正丁烷/空氣混合物催化著火中的熱作用和化學作用 136
6.3 化學作用的臨界氫氣量 138
6.4 正丁烷氫氣輔助催化著火動力學分析 140
6.4.1 正丁烷起燃溫度和臨界氫氣量 141
6.4.2 氫氣在催化著火中的熱作用與化學作用機制 142
6.5 氫氣對催化著火過程影響的非穩態數值模擬 150
6.6 本章小結 158
參考文獻 158
第7章 微尺度催化燃燒中氣相反應和表面催化反應的相互作用 159
7.1 引言 159
7.2 正丁烷氣相反應機理 161
7.2.1 正丁烷氣相反應機理的構建 161
7.2.2 正丁烷氣相反應機理的驗證 166
7.3 實驗研究與數值模擬 171
7.3.1 實驗系統與實驗方法 171
7.3.2 計算模型和反應機理 172
7.4 三種典型工況的實驗結果 173
7.4.1 富燃料工況 173
7.4.2 化學計量比工況 176
7.4.3 貧燃料工況 180
7.4.4 不同工況的簡要討論 183
7.5 氣相反應和表面催化反應作用機制 184
7.5.1 催化反應控制區 184
7.5.2 氣相反應控制區 186
7.5.3 聯合控制區動力學分析 188
7.5.4 表面催化反應對氣相反應的影響 191
7.6 本章小結 193
參考文獻 194
第8章 正丁烷在Swiss-roll燃燒器內的催化燃燒特性 197
8.1 引言 197
8.2 微小型Swiss-roll催化燃燒器的初步設計與改進 198
8.2.1 微小型Swiss-roll催化燃燒器的初步設計 198
8.2.2 微小型Swiss-roll催化燃燒器的改進設計 201
8.3 正丁烷在改進的Swiss-roll燃燒器內的燃燒特性 203
8.3.1 氫氣輔助催化著火 204
8.3.2 燃料在改進的Swiss-roll燃燒器內的熄火極限 204
8.3.3 改進的Swiss-roll燃燒器壁面溫度分佈 207
8.4 催化劑對Swiss-roll催化燃燒器性能的影響 211
8.5 氫氣對Swiss-roll催化燃燒器性能的影響 216
8.6 本章小結 221
參考文獻 222
附錄 224
附錄A 正丁烷在Pt上的表面催化反應機理 224
附錄B 正丁烷氣相反應機理 228
前言
第1章 微動力系統及其微燃燒的強化 1
1.1 基於燃燒的微動力系統 1
1.1.1 背景與意義 1
1.1.2 微動力系統的發展 2
1.2 微動力系統與微燃燒的挑戰 22
1.3 熱循環強化微尺度燃燒 24
1.4 催化反應強化微尺度燃燒 28
1.4.1 催化反應對著火和燃燒性能的影響 28
1.4.2 表面催化反應與氣相反應的相互影響 31
1.5 加氫強化微尺度燃燒 34
1.5.1 氫氣對催化著火和燃燒的影響 34
1.5.2 氫氣對催化燃燒的熱作用與化學作用 36
1.6 本章小結 37
參考文獻 37
第2章 微小尺度燃燒實驗系統 44
2.1 引言 44
2.2 實驗系統組成及功能 44
2.2.1 燃料和氧化劑供應系統 45
2.2.2 測量與數據處理系統 46
2.2.3 計算機界面設計 49
2.2.4 點火系統 51
2.2.5 加熱與保溫系統 52
2.2.6 微燃燒(反應)器 53
2.3 微尺度燃燒實驗台架 55
2.4 實驗系統的誤差分析 56
2.5 本章小結 57
參考文獻 57
第3章 C0～C4催化反應機理 59
3.1 引言 59
3.2 機理構建的總體思路 60
3.2.1 表面催化反應的主要過程 60
3.2.2 機理構建的方法 61
3.3 H2和CH4機理 62
3.4 C2子機理 63
3.5 C3～C4催化反應機理 66
3.5.1 C3～C4子機理的構建 67
3.5.2 反應動力學參數 73
3.5.3 反應機理的優化 75
3.6 反應機理的進一步驗證 77
3.6.1 氫氣的催化著火 77
3.6.2 乙烷與丙烷的催化著火 78
3.6.3 丙烷的氫氣輔助催化著火 79
3.6.4 正丁烷催化著火 80
3.6.5 正丁烷的氫氣輔助催化著火 80
3.6.6 正丁烷催化燃燒 82
3.7 本章小結 82
參考文獻 83
第4章 正丁烷催化著火特性 86
4.1 引言 86
4.2 催化著火的實驗研究 87
4.2.1 實驗過程 87
4.2.2 流速(Re)對催化著火溫度的影響 88
4.2.3 當量比對催化著火溫度的影響 90
4.3 催化著火的數值模擬 93
4.3.1 反應器物理模型 93
4.3.2 數學模型 94
4.3.3 表面催化反應動力學模型 95
4.3.4 計算結果合理性驗證 96
4.4 催化著火過程的動力學分析 97
4.4.1 化學計量比混合物的著火過程 97
4.4.2 當量比對催化著火的影響 100
4.4.3 混合物初始溫度對催化著火的影響 101
4.5 本章小結 102
參考文獻 103
第5章 氫氣輔助催化著火特性 105
5.1 引言 105
5.2 實驗方法與過程 105
5.3 氫氣/空氣混合物的催化著火 107
5.4 熱著火與氫氣輔助催化著火 108
5.5 甲烷和二甲醚的氫氣輔助催化著火特性 110
5.5.1 流速(Re)對*小氫氣量的影響 110
5.5.2 當量比對*小氫氣量的影響 112
5.6 正丁烷的氫氣輔助催化著火特性 113
5.6.1 貧燃料正丁烷/空氣混合物的氫氣輔助催化著火 113
5.6.2 不同氫氣量下正丁烷/空氣混合物的催化著火特性 115
5.6.3 雷諾數對氫氣輔助催化著火特性的影響 118
5.6.4 當量比對氫氣輔助催化著火特性的影響 120
5.6.5 催化劑長度對氫氣輔助催化著火特性的影響 121
5.6.6 催化劑負載密度對氫氣輔助催化著火特性的影響 123
5.6.7 氫氣供給方式對輔助催化著火的影響 125
5.6.8 燃燒器外壁散熱的影響 126
5.7 氫氣輔助催化著火過程的數值模擬 127
5.7.1 計算模型 127
5.7.2 計算結果與分析 128
5.8 本章小結 133
參考文獻 134
第6章 氫氣輔助催化著火的熱作用與化學作用 136
6.1 引言 136
6.2 氫氣在正丁烷/空氣混合物催化著火中的熱作用和化學作用 136
6.3 化學作用的臨界氫氣量 138
6.4 正丁烷氫氣輔助催化著火動力學分析 140
6.4.1 正丁烷起燃溫度和臨界氫氣量 141
6.4.2 氫氣在催化著火中的熱作用與化學作用機制 142
6.5 氫氣對催化著火過程影響的非穩態數值模擬 150
6.6 本章小結 158
參考文獻 158
第7章 微尺度催化燃燒中氣相反應和表面催化反應的相互作用 159
7.1 引言 159
7.2 正丁烷氣相反應機理 161
7.2.1 正丁烷氣相反應機理的構建 161
7.2.2 正丁烷氣相反應機理的驗證 166
7.3 實驗研究與數值模擬 171
7.3.1 實驗系統與實驗方法 171
7.3.2 計算模型和反應機理 172
7.4 三種典型工況的實驗結果 173
7.4.1 富燃料工況 173
7.4.2 化學計量比工況 176
7.4.3 貧燃料工況 180
7.4.4 不同工況的簡要討論 183
7.5 氣相反應和表面催化反應作用機制 184
7.5.1 催化反應控制區 184
7.5.2 氣相反應控制區 186
7.5.3 聯合控制區動力學分析 188
7.5.4 表面催化反應對氣相反應的影響 191
7.6 本章小結 193
參考文獻 194
第8章 正丁烷在Swiss-roll燃燒器內的催化燃燒特性 197
8.1 引言 197
8.2 微小型Swiss-roll催化燃燒器的初步設計與改進 198
8.2.1 微小型Swiss-roll催化燃燒器的初步設計 198
8.2.2 微小型Swiss-roll催化燃燒器的改進設計 201
8.3 正丁烷在改進的Swiss-roll燃燒器內的燃燒特性 203
8.3.1 氫氣輔助催化著火 204
8.3.2 燃料在改進的Swiss-roll燃燒器內的熄火極限 204
8.3.3 改進的Swiss-roll燃燒器壁面溫度分佈 207
8.4 催化劑對Swiss-roll催化燃燒器性能的影響 211
8.5 氫氣對Swiss-roll催化燃燒器性能的影響 216
8.6 本章小結 221
參考文獻 222
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附錄B 正丁烷氣相反應機理 228
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