甲醇重整制氢微反应器的催化剂载体是影响制氢性能的关键构件,因此其结构形式和设计方法发展迅速。其中,多孔铜纤维烧结板以其低制造成本与极高比表面积,展现出作为催化剂载体的巨大潜力(以下简称纤维载体)。梯度孔隙率纤维载体的发展,则进一步提升了制氢反应性能,并增强了纤维载体设计的自由度。但是,当前梯度纤维载体的设计和优化研究缺乏明确的依据;同时,已有的解析型分析优化方法和评价标准在这类复杂多孔纤维载体中并不适用。这使得纤维载体缺失明确的结构优化方向。研究表明,催化剂载体中的流速场越均匀,制氢反应性能越好。为此,本文建立了纤维载体流速场的解析型分析模型,通过分析纤维载体结构特征对流速场的影响,初步形成了纤维载体流速场均匀性的评价指数,进而提出了纤维载体流速场的解析型分析优化方法。论文的主要工作包括:(1)建立了适用于均匀孔隙率纤维载体流速场的解析型分析模型。基于纤维载体的统计特征建立了纤维载体的流道模型,构建了纤维载体流速场的等效电阻网络模型。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的分析验证结果表明,等效电阻网络模型能够快速准确地还原纤维载体的流动分布特性。(2)建立了适用于梯度孔隙率纤维载体流速场的解析型分析模型。通过对纤维载体不同形状的孔隙率界面两侧的流道模型进行耦合,考虑求解精度,构建了梯度纤维载体的等效电阻网络模型;CFD数值分析的验证结果表明,构建的等效电阻网络模型可在计算量保持恒定的情况下,快速求解任意梯度孔隙结构纤维载体的流速场分布,且分析结果具有更高的一致性。(3)分析并提出了纤维载体流速场均匀性的综合评价指数。根据流动分布均匀度和流速峰值建立了流场指数,形成了流动分布评价方法;将纤维载体的流动阻力及接触面积进行量化,建立了流速场均匀性的综合评价指数,以综合评估不同纤维载体流速场的均匀性;最后通过与纤维载体的制氢实验结果进行对比,验证了纤维载体流速场综合评价指数的有效性。(4)建立了纤维载体的结构优化设计方法。结合纤维载体的流速场解析分析模型与综合评价指数,利用优化算法对纤维载体的孔隙率分布进行优化。对纤维载体填充腔进行离散化处理,以纤维载体流速场的综合评价指数为依据,借助遗传算法求解纤维载体的最优孔隙率分布,形成了纤维载体解析型分析优化方法。