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。     

超临界碳氢燃料流动换热的一维模型

考虑水平圆管内燃料流动换热过程和裂解反应及结焦过程之间的相互影响,提出一个一维稳态模型来研究碳氢燃料的流动换热过程与裂解反应的耦合特性。选用正癸烷作为替代燃料,裂解反应采用正癸烷裂解的一步总体化学反应模型,结焦过程采用一维结焦工程模型进行数值模拟,结果表明裂解反应能够强化换热。选择不同的管壁面热流密度、进口压力和质量流量等典型工况进行模拟,表明流动换热过程影响燃料裂解反应速率和在管内的驻留时间,从而影响裂解度。计算结果与实验数据的对比表明了程序的可靠性,加上一维程序计算效率高的优点,可将应用于快速工程计算,并为三维数值模拟提供支持。      

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。     

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。     

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。     

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。      

液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热计算研究

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热。三维模型计算精度高,但计算用时较长。计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa。准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90%。四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3%,4.4%,8.6%和4.5%,在可接受范围内。本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性,基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算,湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较,热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理,讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因;提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施;提出了换热恶化预测关联式,为主动再生冷却技术提供参考。      

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

Three-dimensional numerical study of supercritical pressure effect on heat transfer of cryogenic methane

A three-dimensional numerical study of the turbulent convective heat transfer of the cryogenic methane flowing inside a square engine cooling channel under supercritical pressures was systematically conducted. Numerical results indicate that increasing the fluid pressure results in enhanced heat transfer of the cryogenic methane under supercritical pressures. At the pseudo-critical temperature under a corresponding supercritical pressure, drastic property variations cause heat transfer deterioration and sharp wall temperature increase at a high wall heat flux of 7MW/m2. A modified Jackson and Hall heat transfer equation, which can be used for supercritical heat transfer calculations of the cryogenic methane, has been successfully established in this paper.      

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法, 研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格, 并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程, 配以壁面函数率, 求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.      

Review on active thermal protection and its heat transfer for airbreathing hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles with turbojet, ramjet, and scramjet engines are expected to be widely applied to future transportation systems. Due to high-speed flight in the atmosphere, body outer surfaces suffer strong aerodynamic heating, and on the other hand, combustion chamber inter walls are under extremely high temperature and heat flux. Therefore, more efficient and stable active cooling technologies are required in hypersonic vehicles, such as regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, as well as their combinations. This paper presents a comprehensive literature review on three active cooling methods, i.e., regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, and deeply analyzes the mechanism of each cooling method, including the fluids flow, heat transfer, and thermal cracking characteristics of different hydrocarbon fuels in regenerative cooling, the heat transfer and flow mechanism of film cooling under supersonic mainstream conditions, and the heat transfer and flow mechanism of transpiration cooling.     

具有凹陷涡发生器的网格冷却结构内的流动与传热特性

对一种具有U 形子通道以及凹陷涡发生器的新型网格冷却结构内的流动和传热特性进行了实验和数值计算研究,通过数值计算可以较准确地获得网格冷却结构的传热性能和流阻性能.在数值计算模型得到验证的基础上,还分别对具有U 形子通道和凹陷涡发生器的网格冷却结构,以及具有U 形和矩形子通道的网格冷却结构内的流动和传热性能进行了对比研究.对比研究表明:与矩形子通道相比,U 形子通道结构能够改善子通道底部的流动状况,降低流动阻力,但同时也略微降低了总体传热性能;在U 形子通道壁面上布置凹陷涡发生器能够显著增强底部流动扰动,大幅提高传热性能,但同时也增加了流动阻力.      

层板冷却特性的实验与数值模拟研究

在大尺寸低速回流式风洞内对一种应用于涡轮叶片的典型的层板结构进行了流阻特性和冷却特性的实验研究,获取了该层板综合冷却效果与层板两侧压比的关系,结果表明层板具有很高的冷却效果。运用商用软件Fluent6 0对其进行了流固耦合传热计算,分析了层板内部复杂的流动和换热情况,得到了在不同的进出口条件下该层板的综合冷却效果。计算结果和实验值进行了比较,两者符合较好,表明通过数值计算获取层板冷却效果的方法是可行的。     

具有发散冷却功能的曲面结构边界层特性实验和数值研究

用实验测量和理论计算相结合的方法,研究了具有发散冷却功能的曲面结构边界层流动和换热特性.半球形实验件由高温合金钢粉末烧结的多孔材料制成,孔隙率和特征尺寸分别为0.37和20μm.实验件外部的热流温度及速度由热风洞的控制系统给定,内部的冷气流量由数字式质量流量控制器给定,外表面温度由NEC TH5104远红外热像系统测量.利用FLUENT软件中的二维、稳态、局部热平衡模型,对实验件进行发散冷却特性数值模拟,并通过与实验数据的比较,验证数学模型和数值方法.      

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

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。     

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.      

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa,温度约335～870K,流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。