气相法制备纳米二氧化硅燃烧器数值模拟研究

论文摘要

气相燃烧合成纳米二氧化硅颗粒具有极小的粒径、巨大的比表面积、很高的纯度以及成链和网络化倾向,使其具有补强、增稠、触变、乳化、消光、防滑等作用,除了作为橡胶的补强剂之外,还被广泛的应用于塑料、油漆、涂料、粘合剂、油墨、化妆品、牙膏、润滑油等诸多工业领域,是一种极为重要的化工原料。随着微电子、特种催化剂、高档汽车油漆、精细陶瓷等高科技产品的快速发展,纳米二氧化硅颗粒材料的市场日益扩大。燃烧反应器作为制备纳米二氧化硅的关键设备,设备的好坏直接决定产出二氧化硅的品质。本文采用CFD商用软件FLUENT对燃烧器流场进行了数值模拟,通过研究工况燃烧和燃烧室的外形、结构对温度、流场分布的影响得出了以下主要结论：(1)在Fluent对实验室工况进行模拟时,可以得到跟实际比较符合的结果。(2)改变燃烧室的外形,发现在夹角为135°时,燃烧室内的回流最小,有利于颗粒停留时间的均匀性。(3)改变燃烧室直径和喷嘴直径比,模拟室内流场和温度场,综合两方面考虑,得到直径比为1：5时是理想的直径比。(4)从温度方面考虑,影响温度的主要因素空气/H2比值,当空气中的氧气和氢气比值为0.9可以得到最理想的温度。本文还定性讨论了火焰燃烧形式对温度场和浓度场的影响。相对于扩散火焰,预混合火焰可以提供较为均匀的温度场和浓度场。并利用Beer和Chigier等人的经验公式对单孔射流的空气动力学特征进行了分析和模拟计算,得到随着经验参数的增大,势流核心区最大长度逐渐减小以及单孔喷嘴轴心速度随距离增大衰减的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 气相燃烧合成技术概述
• 1.2 气相法燃烧合成实现的前提条件
• 1.3 气相燃烧合成的过程描述
• 1.3.1 气相燃烧合成的化学反应
• 1.4 气相燃烧合成动力学分析
• 1.4.1 气相燃烧合成过程简化和模型建立
• 1.4.2 过程的控制手段
• 1.5 本文的立题背景
• 1.5.1 气相法制备白炭黑
• 1.5.2 气相法白炭黑的应用
• 1.5.3 气相法白炭黑的制备
• 1.5.4 国内外市场现状
• 1.6 本论文研究的目标和内容
• 第二章 燃烧器数值模拟的基本理论
• 2.1 气体状态方程
• 2.2 流体流动的基本控制方程
• 2.3 湍流流动数学模型
• 2.4 组分方程
• 2.4.1 层流中的质量扩散
• 2.4.2 湍流中的质量扩散
• 2.4.3 能量方程中的物质输送处理
• 2.5 有限体积法的控制方程离散过程
• 2.5.1 被求函数的离散格式
• 2.5.2 方程组的形式
• 2.5.3 源项的处理
• 2.5.4 有限体积法的四条基本原则
• 2.5.5 有限体积法
• 2.6 本章小结
• 第三章 反应器燃烧数值模拟
• 3.1 实验介绍
• 3.2 数学模型的建立
• 3.3 数值模拟计算过程
• 3.3.1 计算区域网格的生成
• 3.3.2 模型的选取
• 3.3.3 物性的计算
• 3.3.4 边界条件的设定
• 3.3.5 求解过程
• 3.4 反应器燃烧数值模拟的结果及分析
• 3.4.1 工况模拟
• 3.4.2 燃烧器外形结构优化
• 3.4.3 燃烧室喷嘴直径比的优化
• 3.4.4 空气/H2最佳比的优化
• 3.5 本章小结
• 第四章 不同火焰燃烧形式的研究
• 4.1 燃烧形式的介绍
• 4.1.1 扩散火焰
• 4.1.2 预混合燃烧火焰
• 4.2 不同喷嘴射流的空气动力学分析
• 4.2.1 单孔喷嘴自由射流火焰区流场分析
• 4.2.2 同轴多重射流火焰区流场分析
• 4.3 实验室单孔射流喷嘴的空气动力学模拟计算
• 4.3.1 经验参数对势流核心区的最大长度的影响
• 4.3.2 单孔喷嘴轴心速度衰减
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A:攻读学位期间发表的论文