超临界压力下正癸烷裂解吸热和对流传热现象的数值模拟研究

摘要

高超声速飞行器和液体火箭推进系统由于燃烧放热和气动加热等原因，会面临非常严重的热管理问题。为保证发动机的可靠性和耐久性，超燃冲压发动机和液体火箭发动机通常需要依靠主动冷却。为了最大限度地提高燃料的吸热能力，除了利用燃料的显焓吸热之外，人们现在也开始考虑利用吸热型碳氢燃料的热裂解化学反应吸热能力。由于喷注和掺混的要求，燃料在再生冷却过程中处于超临界压力状态。因此，研究超临界压力下碳氢燃料裂解吸热和对流换热对于掌握和应用主动再生冷却技术具有非常重要的意义。
　　本文以超燃冲压发动机和液体火箭发动机主动再生冷却过程为研究对象，建立了一套模拟超临界压力下碳氢燃料裂解吸热反应和湍流传热现象的数值计算软件模块，并对计算软件进行了充分的验证。
　　首先，通过对超临界压力下低温甲烷在矩形冷却通道内的对流换热过程开展三维稳态数值模拟研究，分析了压力、壁面热流、管道几何形状对传热的影响，将数值计算得到的对流换热Nusselt数与经验公式预测值进行对比，发现两者非常吻合，因此验证了数值模型在碳氢燃料超临界压力传热计算中的准确性。其次，针对超临界压力下正癸烷的裂解吸热反应及传热现象继续开展了数值模型和计算软件的验证工作。在3.45～11.38MPa，管道最大壁面温度分别为823K、873K，质量流率为0.3、0.5ml/min等工作条件下对正癸烷的对流传热进行了数值模拟研究，得到了详细的温度、速度、正癸烷裂解转化率、物性、壁面热流密度等的变化和分布情况。数值模拟结果与已有的实验和数值结果非常一致，进一步验证了计算方法和数值模型在裂解吸热情况下的有效性及可靠性。
　　在以上研究工作的基础上，对超临界压力下正癸烷的裂解吸热反应和湍流传热现象开展了系统地数值模拟研究。考察了裂解反应、入口速度、入口压力等对传热的影响。研究结果表明，正癸烷发生轻度裂解时，流体平均温度降低约30K。增大入口速度，流体平均温度平缓上升，正癸烷裂解率减小，裂解吸热量与对应壁面热流密度的比值随之降低;而增大入口压力，对流体平均温度和裂解吸热量与壁面热流密度比值的影响很小;增大壁面热流密度，正癸烷裂解转化率增加，当管道轴线热出口处正癸烷裂解率超过30％时，裂解吸热反应主导着高温区的对流换热过程。研究发现，Dittus-Boelter、Gnielinski公式能用来预测本文计算条件下的正癸烷考虑裂解吸热反应时的对流传热Nusselt数。
　　对超临界压力下正癸烷裂解传热过程进一步开展了非稳态数值模拟研究，考察了入口速度、工作压力变化对该裂解传热瞬态过程的影响。研究结果表明，超临界压力下正癸烷裂解传热经过0.3s基本稳定，到0.4s达到稳态。增大入口速度，则正癸烷裂解传热过程达到稳定所需时间减小。在不同的工作压力下，由于流体的正癸烷裂解反应速率、裂解转化率和裂解产物热物性受压力影响较小，正癸烷裂解传热过程达到稳定所需时间变化不大。不同物性达到稳定状态所需要的时间不同，黏性系数较快，而密度、热传导系数和定压比热较慢。这是因为密度、热传导系数和定压比热受温度影响变化显著，而黏性系数在较高温度下对温度变化不敏感。
　　对Ward等人的18组分PPD裂解反应机理进行简化得到了12组分反应机理。研究结果表明，与18组分机理的计算结果相比，采用12组分机理计算得到的各物理量最大相对误差均在5％以内。用12组分简化机理进行计算，计算效率能提高60％以上。计算效率提高是因为:一，采用简化机理后需要求解的组分守恒方程个数减少了;二，采用简化机理后计算混合物热物性需要的迭代步数减少了。本文所用的简化方法可以应用于其它吸热型碳氢燃料在超临界压力下的热裂解化学反应，但对于不同碳氢燃料热裂解反应机理进行简化后的准确性仍需要进一步检验。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

1 绪论

1．1 超临界流体及其特性

1．1．1 超临界流体

1．1．2 超临界流体的物理性质

1．1．3 超临界流体的传热特性

1．2 超临界压力下流体传热的研究现状

1．2．1 超临界压力下的普通流体传热

1．2．2 超临界压力下航空航天燃料的传热

1．2．3 超临界压力下流体的对流换热性能评估

1．3 本文的研究内容

2 数值方法

2．1 守恒方程

2．1．1 质量守恒

2．1．2 动量守恒

2．1．3 能量守恒

2．1．4 化学组分守恒

2．2 湍流模型

2．2．1 标准k-ε湍流模型

2．2．2 强化壁面处理

2．3 物理模型

2．4 边界条件

2．5 物性计算

2．5．1 密度

2．5．2 黏性系数

2．5．3 热传导系数

2．5．4 定压比热

2．5．5 焓值

2．5．6 质量扩散系数

2．6 热裂解反应

2．7 小结

3 模型验证

3．1 物性计算方法的验证

3．2 与超临界压力下CO2传热实验的对比验证

3．3 与超临界压力下甲烷对流传热经验公式的对比验证

3．3．1 适用于超临界甲烷对流传热研究的经验公式

3．3．2 验证模型

3．3．3 验证结果分析

3．4 与超临界压力下正癸烷的传热实验和数值计算结果的对比验证

3．4．1 考虑正癸烷裂解反应的热物性计算结果验证

3．4．2 温度、速度和正癸烷裂解转化率的计算结果验证

3．4．3 热流密度的计算结果验证

3．5 小结

4 超临界压力下正癸烷裂解传热现象的稳态数值模拟

4．1 物理模型

4．2 化学模型

4．3 等壁温条件下正癸烷超临界裂解传热现象的稳态数值模拟

4．3．1 裂解反应对传热的影响

4．3．2 入口速度的影响

4．3．3 入口压力的影响

4．4 等壁面热流条件下正癸烷超临界裂解传热现象的稳态数值模拟

4．4．1 裂解反应对传热的影响

4．4．2 入口速度的影响

4．4．3 壁面热流的影响

4．4．4 入口压力的影响

4．5 小结

5 超临界压力下正癸烷裂解传热过程的非稳态数值模拟

5．1 物理模型

5．2 化学模型

5．3 结果分析和讨论

5．3．1 入口速度变化对裂解传热过程的影响

5．3．2 工作压力变化对裂解传热过程的影响

5．4 小结

6 超临界压力下正癸烷裂解简化机理研究

6．1 简化原则

6．2 物理模型

6．3 结果分析和讨论

6．3．1 不同简化机理的计算精度比较

6．3．2 不同简化机理的计算效率比较

6．4 小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录A

附录B

索引

作者简历

攻读博士学位期间主要的研究成果