李磊-开题报告.pdf

华南理工大学华南理工大学 本科毕业设计（论文）开题报告本科毕业设计（论文）开题报告 论文题目 层叠式微通道反应器流速分布分析层叠式微通道反应器流速分布分析 班 级 09 机械（1）班 姓 名 李 磊 学 号 200930011132 指导教师 潘 敏 强 开题时间 2013 年 3 月 13 日 填表日期 2013 年 3 月 13 日 2开题报告内容：开题报告内容： 一、 概述一、 概述 20 世纪 90 年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化发展，随着微全分析系统（μ–TAS）和微机电系统（MEMS）概念的提出和发展，微化工技术也成为化学工程学科发展的新的重要方向之一近十几年来，微热、微反应、微分离、微分析系统等微化工技术的研究处于迅猛的发展态势召开了以“微反应技术” 、 “微通道和微小型通道”为主题的国际会议，德国、美国、日本、法国、荷兰、英国和中国等国家的相关研究单位对微化工技术投入大量研究并取得了一定的成绩， 像 IMM、 DUPONT、 PNNL、BASF 等公司纷纷开展了微化工相关的研究。

中国科学院大连化学物理研究所自 20 世纪90 年代以来，开展了微反应器的制备、微混合技术、微反应等微化工技术方面的研究，清华大学开展了微萃取技术相关的系列基础研究我国的“十一五”计划把微化工技术列为中国化学工业可持续发展的关键技术之一 微通道反应器是一种可用于进行化学反应的三维结构单元， 其借助特殊微加工技术以固体基质制造，通常含有当量直径小于 500µm 的流体通道在反应器中引入微通道阵列可以有效强化质量和热量的传递过程，并且大大提高流体与通道接触的比表面积，提高反应速率的同时也减小了系统体积微通道可以有效地抑制火焰的扩展，使反应在爆炸范围内进行而不需要任何安全措施 微通道反应器还有一个大优点， 就是将很多微通道并联起来可以有效灵活地控制氢气的产生量，即通过调节反应单元的的个数多少因为反应物在反应器流动的时间很短，所以可以实现大批量生产的要求 二、 课题研究目的及意义二、 课题研究目的及意义 微通道反应器因为其尺寸小，反应器能够快速响应，这样就很有利于过程控制和某些催化反应；另外，因其采用微结构，所以不但可以优化存在过程，而且还能够缩短实验以及工业应用的时间与此同时，在热管理方面也具有很大优势，其能够促进等温操作及允许耦合吸热和放热反应。

微通道反应器能够大大提高流体与通道接触的比表面积， 并且有效强化了热量与质量的传递过程， 不仅提高了反应速率也极大地减小了反应系统的体积 平板式微通道反应器，不但可以整合复杂系统的多重反应，还可以将放热反应和吸热反应偶合在一起，充分利用废热到目前，已经有很多微通道反应器中应用了平板式微通道阵列，例如紧凑式制氢燃料处理系统、CO 选择性氧化反应器、微混合器和微换热器 在平板式微通道反应器中， 为了提高传热和传质效率， 并且实现高效选择性和转换性，我们希望反映微通道之间的流速尽可能均匀分布 微通道和均流腔的几何尺寸对微通道之间的流速分布起着至关重要的作用，但是实现微通道之间流速完全均匀分布是非常困难3的并且，当前的微通道反应器的几何结构设计仅仅依赖于设计者的经验，几乎没有理论研究支撑，所以在该领域仍处于盲目的设计阶段，因此很有必要通过实验及理论分析进行深入的探究，实现真正的优化设计 平板式微通道反应器的结构大都是很多块多流道薄板叠加起来， 但是一般对微反应器的研究仅仅是针对单片薄板的，本课题决定突破传统的单片薄板的分析，建立层叠式的薄板微通道阵列模型，并采用计算机数值模拟的研究方法，通过控制变量逐一改变反应器的结构参数，结合相关理论知识，与原始模型比较，总结该变量对层叠式反应器的流速分布的影响，对于工业生产实践中的微通道反应器结构设计起到一定的指导作用。

三、 本课题的国内外研究状况三、 本课题的国内外研究状况 目前， 层叠式微通道反应器的结构设计对于平板式微通道反应器微通道之间的流速分布影响在国外逐渐成为热点研究问题，有一定的研究成果应用到产品中，但是发表在期刊上的文献不多；国内在该领域的研究几乎一片空白，工业上使用的微通道反应器数量很少且依赖于进口 国外学者 Commenge 等建立了一种近似于压降模型来分析通道之间的流速分布，发现带有线性分布的等宽微通道阵列内难以实现速度的均匀分析，Amador 等采用电阻网络模型来研究两种不同结构模型的均流腔和微通道内流体状态分布差异， Tonomura等通过 CFD 模拟研究了矩形均流腔对板翘式微设备内微通道流量分布送我影响 四、 本课题的研究内容及方法四、 本课题的研究内容及方法 对制氢用的层叠式微通道反应器的流场进行分析，研究其结构参数与其性能的关系，将得到的结论指导结构的优化设计 国内外学者对为痛苦反应器流场分析的研究方法一般有两种，其一是以实物实验为主，其二是以数值模拟为主对于实物实验的方法，其可以直接得到数据，且准确，可信度高，但是成本高，且试验周期很长，在结构加工上有很多不确定因素；对于数值模拟的方法，试验周期短，成本低，还能够避免因加工精度不足造成的影响有利于理论分析，但是数据不易获得，并且在软件中网格的划分和边界条件的设置都很难完全符合实际情况，所以其得到的结果可信度不高。

综合考虑以上两种研究方法的优劣势，本课题决定采用数值模拟的方法，充分发挥流体工程分析软件 Fluent 的优势，并结合流体力学有关理论分析所得结果，优化结构设计 (一) 具体研究方法如下： 1. 探讨微反应器性能的评价因素； 2. 分别研究平板层数不同的微反应器的网格划分，建立 CFD 模型； 3. 分析层叠式薄板微反应器各参数对流速分布的影响, 并对分流腔和微通道的结构尺寸进行优化，其中平板数分别是 2,3,4……等； 4. 根据实际应用情况分别修改模拟设计，结果分析； 45. 绘制工程图 (二) 要重点解决的关键问题 1. 什么类型的网格最能如实反映微通道流速分布情况，并能很好地模拟结果； 2. CFD 模型的建立； 3. 各个结构参数的变化对于流速分布的影响规律分析； 4. 平板层数不同的层叠式微通道反应器的的参数分析； 5. 按实际需要修改模型，并进行结构参数优化 五、 本课题的实施方案五、 本课题的实施方案 1. 搜集相关资料、文献，运用创新思维，进行整体的功能分析和结构分析，整合成几种不同的设计方案，确定适合的试验方法； 2. 优化设计方案和实验方法请教指导老师，对各种设计方案和试验方法进行可行性及可靠性分析，确定最终的设计方案和试验方法； 3. CFD 建模计算，整理数据，分析结果，总结规律； 4. 撰写设计说明书。

六、 毕业论文撰写提纲六、 毕业论文撰写提纲 1. 摘要 2. Abstract 3. 绪论 4. 层叠式微通道反应器理想模型的建立 5. CFD 模型建立与分析 6. 层叠式薄板的性能的结构参数分析 7. 理想模型的结构优化分析 8. 实际模型的结构优化分析 9. 总结 10. 参考文献 11. 致谢 七、 进度安排七、 进度安排 1. 2013 年 3 月中旬~下旬：阅读相关文献，对微通道反应器的基本结构、工作原理、性能特点以及理论研究和实际应用情况进行深入了解 2. 2013 年 4 月：对层叠式微通道反应器的结构确定设计方案和研究方法，按步骤实验研究，整理数据，分析总结规律 53. 2013 年 5 月：绘制工程图，撰写论文 4. 2013 年 6 月：答辩 八、 已查阅的参考文献八、 已查阅的参考文献 [1] 潘敏强，汤勇，陆龙生，李勇，基于薄片层叠技术的制氢燃料处理系统研究进展，化工进展，2006,25(9)，P1012~1018 [2] 潘敏强，汤勇，陆龙生，潘 亮，曾德怀，非等宽微通道阵列速度均布的优化设计，化工学报，2007,58(9)，P2183~2189 [3] PAN Minqiang， Zeng Dehuai， Tang Yong， Chen Dongqing， CFD-based Study of Velocity Distribution among Multiple Parallel Microchannels， JOURNAL OF COMPUTERS， 2009，P1133~1138 [4] W 埃尔费尔德，等，微反应器——现代化学中的新技术[M]，骆广生等译，北京：化学工业出版社，2004 [5] Hessel V, Stange T, Mico chemical processing at IMM-frompioneering work to customer-specific services[J]. Lab Chip，2002，2（1） ：14N–21N [6] 李英，陈光文，袁权，微通道内弹状流的流动特性[C]，第一届全国化学工程与生物化工年会论文集，南京：中国化工学会，2004：145–153 [7] 曹彬，陈光文，袁权，微通道反应器内氢气催化燃烧[J]，化工学报，2004，55（1） ：42–47 [8] J. M. Commenge, L. Falk, J. P. Corriou and M. Matlosz,“Optimal design for flow uniformity in microchannel reactors,” AIChE Journal, vol. 48, pp. 345–357, 2002. [9] C. Amador, A. Gavriilidis and P. Angeli, “Flow distribution in different microreactor scale-out geometries and the effect of manufacturing tolerances and channel blockage,” Chemical Engineering Journal, vol. 101, pp.379–390, 2004. [10] O. Tonomura, S. Tanaka, M. Noda, M. Kano, S. Hasebe and I. Hashimoto, “CFD-based optimal design of manifold in plate-fin microdevices,” Chemical Engineering Journal, vol. 101, pp.397–402, 2004. [11] M. Pan, Y. Tang, Y. Zhang and W. Zhou, “Modelling of flow uniformity among non-uniform cross-section microchannels,” Proceedings of the International Conference on Integration and Commercialization of Micro and Nanosystems. Sanya: 2007, pp. 1073–1078. [12] M. Pan, Y. Tang, L. Pan and L. Lu, “Optimal design of complex manifold geometries for uniform flow distribution between microchannels,” Chemical Engineering Journal, vol.137, no.2, pp. 339–346, 2008. [13] M. Pan, Y. Tang, W. Zhou and L. Lu, “Flow distribution among microchannels with 6asymmetrical manifol。