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。     

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。     

超临界正癸烷同轴剪切喷注热声振荡数值模拟

以液体火箭发动机同轴剪切喷嘴燃烧室作为研究对象,对超临界压力下低温正癸烷向高温正癸烷喷注过程中,由于高温正癸烷被快速冷却导致密度剧烈变化进而引发的热声振荡现象进行数值模拟。研究了出口压力、高温正癸烷流动速度与温度、低温正癸烷喷注速度与温度对热声波振幅与频率的影响。结果表明：当高温正癸烷被快速冷却时,其自身体积快速收缩,同时由于附近高温正癸烷的惯性导致压力先增大后减小,快速交替变化,从而产生热声波在高温正癸烷中传播。热声波振幅与频率的大小主要由高温正癸烷在不同压力与温度下的热物性决定。热声波的频率随着高温正癸烷声速增大而增大;热声波的振幅由高温正癸烷的相对压力系数与温度变化率共同决定。     

超临界压力下正十烷流动传热的数值模拟

为了深入理解主动再生冷却过程中碳氢燃料的超临界传热特性,基于SIMPLE算法建立了数值模拟方法,考虑了碳氢燃料物性随温度的剧烈变化,并利用电加热管实验结果验证了计算方法。针对超临界压力下细管道内正十烷的流动传热现象进行了系统的数值计算研究,考察了计算网格无关性和超临界流动传热过程中的压力效应。结果表明:网格选择与正十烷的状态有关;在超临界压力下,较低的正十烷压力引起临界温度附近的努赛尔数减小,导致传热效率下降;目前常用的传热经验公式在正十烷临界区域附近与数值计算结果差别较大。     

超临界态碳氢燃料流固耦合传热及热裂解的计算方法研究

为深入研究主动再生冷却机理,采用固体热传导方程和流体控制方程,建立了超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解的数值方法。对两种实验状态下电加热管内RP-3航空煤油的耦合传热及热裂解过程进行了计算研究,其中RP-3的热裂解反应由包含1个总体反应和23个二次反应的Modified Kumar-Kunzru反应机理模拟。两种状态下计算得到的外壁温、燃料温度、RP-3裂解率以及裂解产物分布与测量值的最大误差分别小于10%和15%。计算与实验结果吻合较好,表明建立的数值方法是准确的,可以作为研究超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解特性的有效计算分析工具。     

层板推力室再生冷却通道的传热特性分析

提出液体火箭发动机层板推力室再生冷却通道传热过程的数理模型。采用通用形式控制方程处理冷却剂紊流换热和通道材料导热的共轭传热问题，计算采用LVEL紊流模型，并考虑冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的变化及层板材料热物性随温度的变化。结果表明，采用大高宽比、小气壁厚度的通道设计，可显著提高再生冷却能力，降低室壁温度和温差。采用对流换热系数和热物性为常数的简化处理会引起很大误差。     

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。      

超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热数值模拟

为了研究浮升力效应对超燃冲压发动机燃烧室不同位置冷却通道传热特性的影响,对超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热-固体导热耦合过程展开了详细的数值模拟研究。重点考察了燃烧室不同位置的冷却通道中浮升力对温度以及热流分配的影响及其机理。结果表明：由浮升力引起的二次流动使燃烧室不同位置的冷却通道温度分布和热流分配呈现显著的差异;浮升力提升了燃烧室不同位置冷却通道的换热效果,其中受热方向和重力作用方向相同的冷却通道换热性能提升得最多;修正的Jackson&Hall经验公式不能预测浮升力对冷却通道壁面对流换热的影响,需要寻找其他的经验公式或使用CFD手段进行计算分析来解决这一问题。     

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。     

再生冷却超燃冲压发动机传热计算分析与试验

为了计算评估再生冷却超燃冲压发动机的传热特性,并确认计算结果可信,结合固壁三维热传导方程、三维燃气流场计算软件平台和燃油物性计算程序,发展了能对再生冷却超燃冲压发动机进行三维热分析的计算程序;将水冷和油冷通道传热试验、再生冷却超燃冲压发动机传热试验和燃油冷却面板传热特性试验的测量值与计算数据进行对比研究,计算结果与测量值符合较好。     

液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究

采用气固耦合算法对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热过程进行了三维湍流流动与传热数值模拟，冷却工质为氢气，其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化。应用大涡模拟及标准k-ε双方程模型两种湍流模型分别进行数值模拟，详细揭示了再生冷却通道固体区和流体区内的速度场和温度场，并在不同的计算网格数目下对两种湍流模型的计算结果进行了对比。结果表明，在相同的网格条件下，标准k-ε双方程模型与实验数据的吻合精度比大涡模拟模型更好，且满足工程计算精度。随着网格数的增加，大涡模拟的计算精度逐渐得到改善。     

低裂解度正癸烷物性快速计算方法

为研究正癸烷轻微裂解时物性计算方法,基于广义对应态法则建立起正癸烷裂解过程中的密度、黏度、导热系数和定压比热容的三种计算方法,包括直接计算、物性库插值计算、物性子库加权计算,在验证直接计算方法的准确度基础上,对比三种方法的计算精度、计算内存和计算时间来对其综合评估,并探究裂解度对高温物性的影响。计算温度变化范围为300~1020K,压力变化范围为1~15MPa,裂解度变化范围为0~0.25。结果表明:不同物性计算方法均能定性预测热物性的特殊变化趋势;以物性直接计算结果为基准,物性子库加权计算的误差与裂解度大小成正比;在不考虑计算内存的情况下,物性库插值计算方法能无损加速计算,低裂解度下快速工程计算可选择物性子库加权方法;裂解度对高温物性的影响显著且不可忽略。     

方形再生冷却通道内超临界正癸烷湍流传热数值研究

为了深入理解再生冷却过程中碳氢燃料的超临界湍流传热特性,以正癸烷为研究对象,对其在非对称受热(上壁面外侧加热)方形通道内的流动传热进行了数值研究。在数值方法可靠性得到充分验证的基础上,详细探讨了进口温度和压力等运行参数对通道上壁面和侧壁面内侧平均壁温和平均努塞尔数分布的影响。计算结果表明:在运行压力接近临界压力且主流温度处于拟临界温度附近的综合条件下,流体热物性剧烈变化导致的类膜态沸腾效应,引起了上壁面内侧显著的传热恶化现象。同时,不平衡压差诱发的通道截面速度场异常分布,进一步影响了上壁面内侧近壁区域流体的换热性能。另外,类膜态沸腾效应致使上壁面热流更多地传递到侧壁面,导致侧壁面平均努塞尔数大幅增大,相比于正常换热的最大增幅约为50%。     

超临界压力下正庚烷的湍流传热数值研究

 应用修正的对应态方法、基本的热力学关系式和Soave-Redlich-Kwong(SRK)状态方程计算了超临界压力下流体的传输物性和热力学性质,并将这些普适性的物性计算方法与计算流体力学（CFD）数值模型相结合,针对火箭推进系统、高超声速飞行器相关的超临界传热和发动机冷却现象,在准确考虑热力学性质和传输物性变化情况下,系统地研究了一种典型的碳氢燃料——正庚烷在超临界压力下的湍流传热现象,详细分析了超临界压力对流动和传热的影响,揭示了对流换热努塞尔数的变化规律,并将数值模拟计算结果与已有经验公式进行了比较。计算结果显示在超临界压力下,努塞尔数随着压力的降低而降低,并且在临界区域附近会出现湍流传热的恶化和波动现象。     

再生冷却通道跨临界甲烷流动传热研究

采用数值模拟方法,对再生冷却通道和跨临界甲烷进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式模拟燃气侧对流和辐射换热,考虑跨临界甲烷物性随温度和压力的变化.所得结果表明:甲烷比定压热容、黏度、导热系数在冷却通道截面出现极值,阻碍其热量交换,流场分层、流速非对称明显;冷却通道温度沿径向减小,沿周向增加至通道中心达到最大,在肋根处热流密度最低.     

尺度效应下大功率伺服电机再生冷却通道超临界态甲烷传热特性研究

针对飞行器电动执行机构的大功率伺服电机强化散热问题,建立了不同尺度的电机缠绕式螺旋管再生冷却通道数值模型,对超临界态甲烷在尺度效应影响下的传热特性和机理进行研究,探讨了不同尺度冷却通道中超临界态甲烷所受重力浮升力和离心浮升力对传热性能的影响。结果表明,离心浮升力及重力浮升力均受到超临界态甲烷热物性剧烈变化的影响;在相同热质比下,尺度效应对流体温度影响较小,但壁面温度存在明显差别,小尺度冷却通道的传热强化效果更为显著;小尺度时热物性引起的重力浮升力相比于离心浮升力对传热影响较大,大尺度冷却通道的重力浮升力及离心浮升力对传热影响均显著增强;此外,小尺度下大比热区后流动加速更为明显。     

化学氧碘激光(COIL)三维混合反应流场数值模拟研究

通过求解层流Navier-Stokes方程和组分输运方程,数值模拟了化学氧碘激光(COIL)三维扩压器和光腔中10组分21反应的内流流场,计算中没有考虑水蒸气在低温下的冷凝以及激光能量的输出。通过与国外文献计算结果比较可知,物性系数、化学反应速率常数、边界条件处理等对组分浓度影响较大,缺乏这些数据库将会影响计算结果。计算表明,三维副流射流基本穿透主流到达中心线,主副流混合较强,激发态粒子高浓度区主要在中心线附近,因此,也只有在中心线附近有较强的小信号增益系数,进一步研究混合增强技术可以提高原材料的使用效率以及激光的出光功率。本研究可为强激光武器系统之新型压力恢复系统的设计提供技术储备。     

超临界压力下RP-3航空煤油吸热裂解反应的数值研究

为深入理解主动冷却过程中碳氢燃料的超临界吸热裂解特性,采用RP-3航空煤油的四组分替代模型、包含18种组分和24步反应的改进Kumar-Kunzru裂解反应动力学模型,对压力为5MPa时管道内RP-3的吸热裂解反应过程进行了数值模拟,研究了裂解反应对燃料物性和传热特性的影响,以及裂解率较高时二次反应对RP-3裂解的影响。结果表明:温度达到890K时,RP-3的裂解率超过20%,其中芳烃占裂解产物的12.1%;RP-3裂解后燃料物性显著变化,管道出口壁温和燃料温度分别降低了130K和129K,努塞尔数提高了16.5%,传热效率显著提高;裂解率较高时二次反应对RP-3裂解的影响较大,相比不考虑二次反应的状态,带二次反应时RP-3裂解率减小了29.1%,管道出口壁温和燃料温度分别降低了34K和22K。     

涡轮导向叶片变截面针肋通道内空气流动和传热过程数值模拟

应用紊流ｋ－ε模型、三维适体座标网格结合ＳＩＭＰＬＥＳＴ算法,对涡轮导向叶片尾部变截面针肋通道内空气流动和传热过程进行了数值模拟。该模拟同时考虑了流场、压力场、温度场和物性变化之间的相互耦合作用,可压缩和变物性的影响以及叶片壁内三维导热效果,采取对流—导热耦合传热问题的整体求解法进行数值计算。计算结果与实验符合良好,证明本文建立的数值模型是正确的,可为叶片的优化设计提供一定的依据。     

通道深宽比对液体火箭发动机推力室再生冷却的影响

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟, 冷却工质为氢气, 其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化, 冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化.计算采用标准k-ε两方程湍流模型及气-固耦合算法.保持再生冷却通道个数及冷却工质进口流量不变, 通过改变通道肋壁厚度来改变冷却通道深宽比, 研究不同深宽比对推力室壁面再生冷却效果的影响规律.计算结果表明:增加通道深宽比对推力室壁面能够起到强化传热的作用, 但同时也增加了冷却通道的进出口压差.这是由于冷却工质流速的增高, 从而提高了推力室传热系数.随着深宽比不断增加, 推力室再生冷却效果趋于饱和, 而冷却工质进出口压降则不断上升.