超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性的数值研究

摘要

为避免额外携带冷却剂所带来的质量惩罚，碳氢燃料已作为一种冷却工质被应用于高超声速飞行器的再生冷却技术中。在冷却过程中，受到超临界压力下大温差范围内燃料物性的剧烈变化以及燃料在高温条件下的吸热型裂解反应的影响，流场与裂解反应耦合在一起共同影响燃料在冷却管道中的对流换热过程。这一复杂的耦合过程为研究超临界压力条件下燃料在管道内的流动换热特性带来了巨大困难。本文基于一维和多维计算模型，针对流场与裂解反应的耦合过程对燃料在管内的热沉分布的影响以及特殊结构下的局部流场对管道内对流换热过程的影响开展了如下几方面的研究工作：
　　基于商用计算平台，以GDE-1发动机为研究对象，对冷却平板中的局部特殊冷却结构在Da数Ⅰ区域内流场分布进行了三维数值模拟，从减小流动死区，降低下游通道内流量分配不均，合理分配燃料热沉的角度对特殊结构进行了优化。然后对比分析了对于亚临界区、跨临界区及超临界区中，在燃料物性剧烈变化影响下，局部特殊结构周围流场分布特点及下游通道流量分布特点。从而提出了局部特殊冷却结构在冷却平板中的最佳设计位置。
　　基于热平衡管道能量法，考虑真实气体物性，建立了流动裂解耦合一维计算模型。然后基于碳氢燃料裂解传热实验系统对一维模型进行了可靠性验证。为量化流动与裂解间过程间的耦合效应，引入了邓克勒数（Da）。该数反映了流场中裂解反应过程对流场的依赖程度。基于一维计算模型所得到的Da数分布情况对沿程流场中的流动裂解耦合效应进行了量化分区，并分析了每个区域内的温度、流动、裂解率分布特点。最后通过对比分析每个区域内的Da数及热沉比分布特点，从流场与裂解耦合效应的角度提出了一种基于Da数控制化学热沉的方法，同时根据不同影响因素条件下 Da数与化学热沉分布的变化特点进一步验证了该方法的有效性。
　　针对碳氢燃料流动裂解耦合流场，利用预处理形式的控制方程，使用时间推进算法建立了基于非结构化网格的超临界低速化学反应流二维模型。模型中采用了TNT k-ω湍流模型，同时引入了真实气体物性算法。对流项采用了基于Venkatakrishnan二阶限制器的界面物理量高阶重构与预处理改进型AUSM+格式相结合的形式进行离散。然后在进行非结构化网格重排序的基础上使用 LU-SGS隐式求解方法对离散方程进行全耦合形式求解。最后分别基于Hagen-Poiseuille流、平板边界层流及粘性方腔驱动流对基于预处理后的全耦合时间推进计算法方法在低速流计算中的适用性和可靠性进行了验证分析。
　　基于碳氢燃料裂解传热实验及商用程序计算平台对二维碳氢燃料流动裂解耦合二维计算模型进行了可靠性验证。基于二维模型计算结果，对燃料在管道内的化学反应流场边界层结构进行了分析。同时基于Da数分布对径向的流动裂解耦合效应进行了进一步分区，并分析了每个区域内化学热沉分布特点，从而将基于Da数的化学热沉控制方法推广至二维流场。
　　针对碳氢燃料化学反应流场中的径向热通量扩散与对流传质过程，对管道径向流场分布进行了详细的传热传质机理分析。基于该两种物理过程的作用特征时间讨论了径向热量扩散与传质过程对流动裂解耦合过程的影响，从而深入分析了化学反应流的多维流场结构。并基于以上机理对压力、流量及壁面热流影响下的流场结构、Da数及化学热沉分布进行了深入讨论。

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符号表

第1章 绪 论

1.1课题背景介绍

1.2超临界碳氢燃料流动传热过程分析

1.3超临界碳氢燃料流动传热过程研究现状

1.4本文的研究内容及章节安排

第2章 流场及结构优化方法的研究

2.1引言

2.2数值计算平台及数值计算方法

2.3数值计算方法验证

2.4带有特殊结构的冷却通道结构优化

2.5温区不同对特殊结构附近流场影响的研究

2.6本章总结

第3章 超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性分析

3.1引言

3.2超临界碳氢燃料流动裂解耦合一维计算模型

3.3流动裂解耦合一维计算模型验证

3.4超临界碳氢燃料化学反应流特征时间耦合研究

3.5本章小结

第4章 超临界低速化学反应流场数值模拟方法

4.1引言

4.2控制方程

4.3预处理方法

4.4数值计算方法

4.5边值条件

4.6预处理方法验证

4.7本章小结

第5章 多时间尺度流动裂解二维耦合分析

5.1引言

5.2二维模型验证

5.3二维流场耦合特征分析

5.4耦合作用机理及影响因素分析

5.5本章总结

结论

附录A 基于RK-PR状态方程的热力学关系推导

附录B RK-PR状态方程参数列表

附录C雅克比矩阵

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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