裂解型碳氫燃料流動傳熱與裂解耦合特性研究

《裂解型碳氫燃料流動傳熱與裂解耦合特性研究》是依託哈爾濱工業大學，由秦江擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：裂解型碳氫燃料流動傳熱與裂解耦合特性研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：秦江

項目摘要

熱防護是發展吸氣式高超聲速飛行器尤其是超燃衝壓發動機的關鍵技術，吸熱型碳氫燃料被認為是最佳的冷卻劑。由於吸熱型碳氫燃料冷卻過程中會發生裂解反應，與傳統航空發動機和火箭發動機冷卻過程有很大區別。因此，掌握吸熱型碳氫燃料流動換熱及裂解規律，成為發展吸熱型碳氫燃料冷卻技術的核心。.本項目根據裂解反應與流動特徵時間尺度的相關性，將流動過程劃分為平衡流動、化學非平衡流動和凍結流動三種流動形式；並將吸熱型碳氫燃料傳熱過程分成相應的傳熱溫區。進而研究不同時間尺度下流動與裂解反應耦合作用機制，掌握不同溫度區間吸熱型碳氫燃料傳熱特性，揭示吸熱型碳氫燃料特殊流動與裂解反應傳熱機理。.本項目採用數值模擬、PIV可視化流場測試和單管碳氫燃料高溫加熱實驗相結合的方法，利用三者之間的互補性，來開展相應的研究工作。掌握吸熱型碳氫燃料流動、傳熱及裂解規律，對於主動熱防護系統設計具有重要的意義。

結題摘要

基於熱平衡管道能量方法，在考慮真實氣體物性變化條件下，建立了流動裂解耦合一維計算模型，同時基於碳氫燃料裂解傳熱實驗系統對該模型進行了可靠性驗證。為了量化流動裂解間的耦合效應，引入了鄧克勒數（Da），並分析了每個區域內的溫度、流動、裂解率分布情況。最後通過對比分析每個區域內的Da數及熱沉比分布特點，從流動與裂解耦合效應的角度提出了一種基於Da數控制化學熱沉分布的方法，同時根據不同影響因素條件下Da數與化學熱沉分布的變化特點進一步驗證了該方法的有效性。 針對碳氫燃料流動裂解耦合流場，利用預處理形式的控制方程，使用時間推進算法建立了基於非結構化格線的超臨界低速化學反應流二維模型。模型中採用了TNT k-ω湍流模型，同時引入了真實氣體物性算法。對流項採用了基於Venkatakrishnan二階限制器的界面物理量高階重構與預處理改進型AUSM+格式相結合的形式進行離散。然後在進行非結構化格線重排序的基礎上使用LU-SGS隱式求解方法對離散方程進行全耦合形式求解。最後分別基於Hagen-Poiseuille流、平板邊界層流及粘性方腔驅動流對基於預處理後的全耦合時間推進計算法方法在低速流計算中的適用性和可靠性進行了驗證分析。 基於碳氫燃料裂解傳熱實驗及商用程式計算平台對二維碳氫燃料流動裂解耦合二維計算模型進行了可靠性驗證。同時基於Da數分布對徑向的流動裂解耦合效應進行了分區，分析了每個區域內化學熱沉分布特點，從而將基於Da數的化學熱沉控制方法推廣至二維流場。 基於該兩種物理過程的作用特徵時間討論了徑向熱量擴散與傳質過程對流動裂解耦合過程的影響，從而深入分析了化學反應流的多維流場結構。並基於以上機理對壓力、流量及壁面熱流影響下的流場結構、Da數及化學熱沉分布進行了深入討論。 對冷卻平板中的局部特殊冷卻結構在Da數Ⅰ區域內流場分布進行了三維數值模擬，從合理分配燃油熱沉的角度對特殊結構進行了最佳化。然後對比分析了在亞臨界區、跨臨界區及超臨界區中，在燃料物性劇烈變化影響下，局部特殊結構周圍流場分布特點、下游通道流量分布特點。從而提出了局部特殊冷卻結構在冷卻平板中的最佳設計位置。 在項目執行的3年中，申請者在科學出版社出版了專著1部，作為第2作者；在Energy、Fuel等期刊發表SCI論文14篇；授權發明專利1項，申請發明專利4項；並獲得黑龍江省自然科學獎1項，作為第2獲獎人。