超临界压力下碳氢燃料裂解与流动传热模拟的快速算法

为了快速预测发动机冷却通道内碳氢燃料在考虑热裂解时的流动传热特性,基于正癸烷热裂解反应机理,建立了一套模拟正癸烷裂解吸热和超临界压力传热现象的快速算法。采用三维物性库查表算法计算裂解反应混合物的热物性,同时对组分输运方程进行简化,简化后只需求解1个组分输运方程。通过与现有的实验和数值结果进行比较,检验了快速算法的计算效率和可靠性。结果表明,快速算法与求解全组分输运方程的算法精度相当,但计算效率提升了约20倍。最后采用该算法对三维矩形截面冷却通道内的超临界压力正癸烷裂解与传热过程进行数值模拟,进一步考察了本文快速算法的计算精度及其工程应用价值。     

碳氢燃料在波纹管内的超临界裂解传热特性

为了探究波纹型冷却通道在碳氢燃料发动机再生冷却系统中的适用性,基于一步总包反应机理,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热、裂解吸热与固体导热的耦合算法,在此基础上对超临界压力下正癸烷在波纹管内的流动传热和裂解吸热现象展开数值研究。通过与光滑管进行对比,分析了波纹结构对管内热量传递、组分输运和裂解反应吸热的影响,进一步研究了不同壁面热流下的裂解传热特性。研究表明:波纹管可以显著提升燃料的换热能力,平均对流换热系数最高可提升40%;波纹管内的速度波动使流场内温度和组分浓度在径向的分布更加均匀,同时降低了正癸烷的裂解吸热率和平均裂解转化率;壁面热流在0.8MW/m2～1.0MW/m2变化时,正癸烷裂解吸热率和综合换热性能随热流的增加而增加。     

竖直圆管内浮升力对超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响

为了探究再生冷却过程中,浮升力对竖直圆管内超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响,基于详细裂解反应动力学模型,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热和裂解吸热的耦合算法,在此基础上对竖直管道内,浮升力对超临界RP-3的流动、传热和裂解反应的影响展开了数值研究。计算结果表明：与不考虑浮升力的情况相比,在浮升力影响显著的条件下,浮升力增强了向下流动的碳氢燃料壁面处与中心流区域的传热传质过程,燃料温度和裂解率的径向分布更加均匀,燃料吸热能力增强,换热系数上升,同时可以有效地抑制管道壁面上结焦的生成;而对于向上流动的流体,浮升力不利于壁面处与中心流区域的传热传质,导致冷却通道内碳氢燃料温度和裂解率径向分布的不均匀性增强,燃料吸热能力降低,换热系数下降,同时增加了管道壁面上的结焦量;同时,为了更好地理解浮升力的影响,本文还对不同壁面热流密度下向上和向下冷却通道内超临界碳氢燃料的裂解传热特性进行了分析;判别式Bo^*<6.0×10^-7不能准确地预测竖直管道内浮升力对超临界碳氢燃料裂解换热的影响。     

碳氢燃料裂解吸热反应及超临界传热现象数值模型的构建与验证

 基于正癸烷在超临界压力下的热裂解反应机理,建立了考虑正癸烷裂解吸热反应及超临界传热现象的数值计算模型。采用该模型对正癸烷在3.45~11.38 MPa压力条件下的湍流传热过程进行了数值模拟计算研究,得到了详细的温度、速度、裂解转化率、物性及壁面热流密度的变化和分布情况。通过与已有的实验和数值计算结果的对比,对数值模型和计算软件进行了充分的验证。结果表明,本文的数值模型是准确、可靠的。这就为研究碳氢燃料的裂解吸热反应及超临界传热现象提供了一个有效的模拟计算工具。     

主动冷却通道内正庚烷热裂解与换热过程的数值模拟 *

为了深入研究碳氢燃料在主动冷却通道中的传热特性,采用详细基元反应机理对微小通道内正庚烷热解反应耦合流动换热过程进行了数值模拟。根据燃料的热裂解反应和壁面传热特性可将通道分为三个换热区域。通过对不同的入口温度、运行压力、壁面温度和通道直径等典型工况进行模拟,探索了正庚烷的热裂解反应和流动换热过程耦合的基本规律。研究结果表明,入口温度对通道整体的换热性能影响不大;保持其它参数不变,通道直径从2mm减小到0.5mm,其整体换热量降低约10%,单位面积的换热量提升约4倍。     

矩形冷却槽道内煤油热裂解过程数值研究

高马赫数下超燃冲压发动机煤油再生冷却过程中易发生热裂解反应导致结焦,因此有必要在冷却通道中开展热裂解过程研究。基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应,对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了三维数值模拟研究,将固壁的传热和槽道内流动反应进行耦合计算,与三种不同热流密度的实验工况对比。结果表明,在热裂解反应发生以前,两相流模型的温度分布和实验数据吻合得很好,但随着燃油温度升高到450℃,燃料开始发生复杂的化学反应,两者开始出现偏离,温度越高,偏离越大。在引入热裂解反应模型之后,高温区域的温度显著降低,和实验结果吻合。热流密度越大,裂解反应率加剧,煤油反应转化率增大。煤油在弯折冷却通道中温度分布不对称。     

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

超燃燃烧室流场计算方法比较分析

采用准一维流动模型、轴对称方程、三维数值模拟方法结合13组分、32反应氢燃料反应机理计算了"等直段+扩张段"燃烧室内超声速燃烧问题.结果表明准一维流动模型与三维数值模拟方法的计算结果反应了主要气动参数变化规律;除预燃激波串区域外,计算数据与试验数据吻合良好;准一维流动模型计算快速、适应性强;三维数值模拟方法给出了详细流场细节,所需计算时间长.针对两种模型特点,在超燃燃烧室设计过程中应有机结合协同工作.      

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.      

一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理

通过对一种航空煤油数值模拟替代燃料(正癸烷)着火与燃烧的化学反应详细机理(包括67种组分,344个反应)进行反应流与敏感性分析,建立了该替代燃料的化学反应简化机理(包括50种组分,118个反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.结果表明:与实验数据相比,采用详细机理与简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与主要生成物的摩尔分数与炉壁距离的整体变化趋势吻合较好.正癸烷可以作为航空煤油的一种数值模拟替代燃料,同时,所建立的化学反应简化机理能很好的描述正癸烷着火与燃烧的动力学特性.      

Numerical investigation of pyrolysis effects on heat transfer characteristics and flow resistance of n-decane under supercritical pressure

Pyrolysis of hydrocarbon fuel plays an important role in the regenerative cooling process. In this article, a Two-Dimensional (2D) numerical model is proposed to investigate the pyrolysis effects on the heat transfer characteristics and flow resistance of n-decane under supercritical pressure. The one-step global pyrolytic reaction mechanism consisting of 19 species is adopted to simulate the pyrolysis process of n-decane. The thermophysical and transport properties of the fluid mixture are computed and incorporated into the numerical model for simulation. Comparisons between the current predictions and the open published experimental data are carried out and good agreement is achieved. In order to better understand the complicated physicochemical process, further investigations on the turbulent flow and heat transfer coupled with pyrolysis in a tube have been performed under various operating conditions. The results indicate that the pyrolysis intensively takes place in the high fluid temperature region. The occurrence of the heat transfer deterioration would lead to increasing n-decane conversion at the beginning of the heated section. It is found that the pyrolysis could improve the heat transfer deterioration and promote the heat transfer enhancement. Meanwhile, pyrolysis gives rise to an abrupt increase of flow resistance. The mechanisms of the physicochemical phenomena are also analyzed in a systematic manner, which would be very helpful in the development of the regenerative cooling technology.     

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。      

超声速气流中简化微小液滴横向喷射的汽化过程探索

为研究超声速气流中简化液滴的汽化过程问题,本文分析了两相流计算中已有的两相传热模型,并对简化液滴绕流开展数值计算.在来流Ma≤0.6的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果相一致,而在来流Ma≥0.9的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果存在很大偏差.由此建立了考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型.进一步,采用Charles B.Henderson阻力系数关系式与新建立的传热模型,对不同直径简化液滴的运动与汽化开展工程计算.在来流2.7Ma的二维平板超声速流场中选取一个截面,作为气相流场,结果显示,(1)简化液滴与主气流存在相对超声速作用.当简化液滴直径dk≤0.12mm时,作用区域约为0.1m～0.4m,当dk>0.12mm时,作用区域明显增大,(2)简化液滴的穿透尺度不超过0.011m/m(深度/长度),时间尺度约为0.28ms～3ms,(3)简化液滴完成汽化的空间尺度约为0.1m(dk>=0.03mm)、0.45m(dk>=0.05mm)与1.24m(dk>=0.075mm),而当dk>0.09mm时,简化液滴完成汽化的空间尺度则大于1.9m.使用考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型与使用传统的传热模型对简化液滴的运动轨迹没有影响,而对简化液滴的汽化过程有较大影响.     

超临界压力下航空煤油RP-3壁面结焦特性对换热的影响

研究了超临界压力下航空煤油(RP-3)在微细管内流动过程中结焦对换热的影响规律.实验中系统压力保持为5MPa,燃油质量流量为3g/s.燃油溶解氧达到饱和,实验段进出口油温分别为127℃和450℃,实验时间为60min,并利用“称质法”获得煤油结焦量.结果表明:由于壁面结焦的差异使得换热特性沿实验段可分为3个区域:进口低温段的传热稳定区、结焦峰值处的传热恶化区和出口高温段的短期强化区.进口低温段结焦量较少,对换热的影响可以忽略;结焦峰值处由于其结焦迅速且量大致使管内传热热阻突增,传热系数下降36.1%故出现传热恶化;高温段出现短期强化是由于结焦微粒附着于管壁,增加了其粗糙度而导致近壁面处流体湍动能增大以及由于近壁面高温区域煤油裂解结焦而产生化学吸 热量,进而强化换热.随着时间的推移,结焦量不断增多,结焦热阻增加的效应抵消并超过以上两种因素的影响,因此又出现传热恶化.      

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

中心进气旋转盘流动与换热的数值研究

本文采用混合长度模型及共轭计算的方法对中心进气转静系旋转盘、腔内的流动与换热进行了数值计算, 并与实验结果进行了比较, 证明混合长度模型对转静系旋转盘、腔的流动与换热的计算是可行的。计算结果显示: 冲击区努赛尔特数最大值不在驻点, 而是偏离驻点一段距离; 随着转速和冷气流量的增加, 盘面换热总体加强。      

燃烧室壁冲击-逆向对流-气膜冷却特性的数值研究

采用FLUENT软件对冲击-逆向对流-气膜冷却结构进行了流固耦合计算, 得到了对流通道和气膜形成区流场、流体温度场以及固壁温度场分布, 分析了该冷却结构内部复杂的流动和换热情况.计算研究目的是摸索一种火焰筒壁温的计算方法, 以较好地获得火焰筒壁温分布.计算结果和试验结果进行了对比, 两者有较好的吻合性.分析表明采用流固耦合计算获取冲击-逆向对流-气膜冷却结构的壁温分布是可行的.