主动冷却通道内吸热型碳氢燃料热裂解结焦抑制机理

为阐明超临界条件下吸热型碳氢燃料的热裂解结焦抑制机理,在电加热管实验装置上,获得了沿程油温、壁温以及燃料的组成,分析了结焦抑制添加剂影响碳氢燃料高温裂解和结焦的实验数据。结果表明:结焦抑制添加剂对碳氢燃料的裂解影响小于4%,降低结焦量约30%;添加结焦抑制剂后,结焦速率下降较快,稳定结焦速率降低约2%。采用SEM表征结焦抑制添加剂对结焦形貌的影响。结果表明,添加剂同时抑制了表面催化结焦与自由基生长结焦的形成。      

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。     

吸热型碳氢燃料的结焦研究(Ⅱ)结焦抑制剂的性能评价

为解决吸热型碳氢燃料裂解结焦的问题，在自制的冲微型反庆色谱系统上以吸热型碳氢燃料NJ150为裂解原料，研究了三苯基膦，亚磷酸三苯酯，二硫化碳、噻吩，乙酸钾五种结焦抑制剂的性能及抑制机理，并在此基础上调配出不同比例的复合剂三苯基膦＋二硫化碳，亚磷酸三苯酯＋二硫化碳和乙酸钾＋二硫化碳。实验结果表明，单剂中二硫化碳的效果优于其他类型，但复合剂更具优势，能将结焦量控制在1％以内。     

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。     

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。      

超临界压力下湍流区碳氢燃料传热研究

碳氢燃料的传热特性对于再生冷却超燃发动机的传热设计至关重要.采用电热管开展了正十烷的传热特性实验,燃料压力约4.0MPa.利用一维流动的质量和能量守恒关系,对管道内燃料的传热进行了分析.采用多元线性回归的方法获得了正十烷在湍流区的传热关联式,通过外壁温的计算与测量的对比,验证了实验获得的湍流传热关联式的适用性.     

吸热型碳氢燃料催化裂解的研究述评

概述了吸热型碳氢燃料裂解催化剂、引发剂、抑制结焦的研究进展，分析了超临界流体对吸热型碳氢燃料催化裂解反应的影响，指出了今后的研究方向。     

混配型吸热碳氢燃料热裂解及催化裂解

为提高吸热型碳氢燃料的吸热能效，将辅助燃料Y按不同比例与碳氢燃料混合，配制成新的混配型YNNJ—150燃料，利用连续流吸热型碳氢燃料裂解微型反应色谱评价装置，考察了它的热裂解转化率和低碳烯烃的选择性，并在HZSM—5分子筛上进行了催化裂解评价。结果表明混配型YNNJ—150燃料不仅降低了裂解温度，同时提高了燃料裂解的低碳烯烃的选择性，增加了燃料的吸热能力，且混合辅助燃料Y的比例为15％时的混配燃料YcNNJ—150的效果最好。混配型燃料可成为今后研究的一个重要方向。     

燃料裂解特性对供油系统稳定性的影响

通过实验研究发现了超临界吸热型碳氢燃料供油系统的压力降型不稳定现象。为了研究稳定机理和超临界吸热型碳氢燃料裂解特性对供油系统稳定性的影响,建立了零维平衡流模型,并针对不同裂解特性的燃料进行了对比仿真。研究结果表明,由于裂解反应的发生,超临界碳氢燃料供油系统存在临界区和裂解区两个不稳定区间。基于零维平衡流模型较好地复现不稳定实验现象,不稳定机理得到了详细的解释。密度随温度的变化是系统正反馈的重要环节之一,其剧烈的变化率是导致系统不稳定的主要原因,燃油裂解速率越快,其裂解产物密度相对变化率随温度变化越大,越容易引起供油系统的不稳定。      

超临界与热裂解煤油超声速燃烧性能优化研究

本文在马赫数2.5超燃模型燃烧室中研究与比较了室温、超临界态与热裂解煤油的超声速燃烧特性.针对单路燃料喷注燃料当量比的受制于容易引起边界层分离,从而导致燃烧静压向上游迅速传播跑出隔离段这一问题,以超临界态煤油为例,研究与比较了不同的喷油位置及其组合对燃烧室性能的影响,并讨论了相应的燃烧室性能优化方法.     

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。     

超临界碳氢燃料蒸汽重整一维模型研究

为了获得关键参数对超临界碳氢燃料蒸汽重整化学热沉分布特性的影响,建立了超临界碳氢燃料蒸汽重整非稳态一维计算模型,通过与实验数据的对比验证了模型的准确性,并基于该模型采用RP-3的四组分替代模型对RP-3蒸汽重整过程中入口流速、压力和含水量等关键参数对热沉沿流向分布特性的影响进行了研究。结果表明：随着入口流速的增加,蒸汽重整反应化学热沉的峰值减小,且出现峰值的位置逐渐向出口移动。随着压力的升高,相同位置处的化学热沉都减少,但是出现峰值的位置不变。在入口含水量由5%增大到12%的过程中,微通道同一位置处的化学热沉增大,且化学热沉的最大值也是增大的,峰值出现的位置向微通道出口移动。     

供油瞬态喷油杆内燃油结焦机理及规律数值研究

为获得喷油杆通断循环供油工作模式下,供油瞬间燃油结焦速率陡增机理,本文建立起沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型.获得不同时刻壁温、油温与结焦速率等参数轴向分布.通过与连续供油模式下的结果对比,来分析供油瞬间灼热喷杆内壁对燃油热冲击的影响,以获得结焦速率陡增机理.结果表明:通断供油模式下,供油瞬间...     

Effect of turbulence models on predicting convective heat transfer to hydrocarbon fuel at supercritical pressure

A variety of turbulence models were used to perform numerical simulations of heat transfer for hydrocarbon fuel flowing upward and downward through uniformly heated vertical pipes at supercritical pressure. Inlet temperatures varied from 373 K to 663 K, with heat flux rang-ing from 300 kW/m2 to 550 kW/m2. Comparative analyses between predicted and experimental results were used to evaluate the ability of turbulence models to respond to variable thermophys-ical properties of hydrocarbon fuel at supercritical pressure. It was found that the prediction per-formance of turbulence models is mainly determined by the damping function, which enables them to respond differently to local flow conditions. Although prediction accuracy for experimental results varied from condition to condition, the shear stress transport (SST) and launder and sharma models performed better than all other models used in the study. For very small buoyancy-influenced runs, the thermal-induced acceleration due to variations in density lead to the impairment of heat transfer occurring in the vicinity of pseudo-critical points, and heat transfer was enhanced at higher temperatures through the combined action of four thermophysical properties: density, viscosity, thermal conductivity and specific heat. For very large buoyancy-influenced runs, the thermal-induced acceleration effect was over predicted by the LS and AB models.     

Numerical investigation on flow and heat transfer characteristics of supercritical RP-3 in inclined pipe

Numerical simulations of flow and heat transfer to supercritical RP-3 through the inclined tubes have been performed using LS k–e model embedded in Fluent. The physical properties of RP-3 were obtained using the generalized corresponding state laws based on the fourcomponent surrogate model. Mass flow rate is 0.3 g/s, system pressure is 3 MPa, inlet temperature is 373 K. Inclination of the inclined pipe varied from -90° to 90°, with heat flux varied from 300 k W/m~2 to 400 kW/m~2. Comparison between the calculated result and the experimental data indicates the range of error reasonable. The results of ±45° show that temperature inhomogeneity in inclined pipe produce the secondary flow in its cross section due to the buoyancy force. Depending on the strength of the temperature inhomogeneity, there will be two different forms of secondary flow and both contribute to the convective heat transfer in the pipe. The secondary flow intensity decreases when the inhomogeneity alleviates and thermal acceleration will play a leading role. It will have a greater impact on the turbulent flow to affect the convective heat transfer in the pipe. When changing the inclination, it affects the magnitude of the buoyant component in flow direction. The angle increases, the buoyancy component decreases. And the peak temperature of wall dominated by the secondary flow will move forward and increase in height.     

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。