微细通道内碳氢燃料传热与裂解过程的实验研究与cfd模拟

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1、微细通道内碳氢燃料传热与裂解过程的实验研究与CFD模拟ExperimentalStudyandCFDModelingontheProcessofHeatTransferandCrackingReactionsfromHydrocarbonFuelinMicrochannel学科专业：化学工艺研究生：张强强指导教师：刘国柱副教授天津大学化工学院二零一四年六月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教

2、育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要作为解决超然冲压发动机热防护问题的关键技

3、术之一，主动冷却通道的设计至关重要。冷却通道的合适设计需要对通道内碳氢燃料的换热过程有一个全面系统的认识。事实上，吸热型碳氢燃料在冷却通道内的换热过程是包含了流动、传热、裂解以及结焦等多个现象的强烈耦合过程，而目前对该过程的研究尚不充分。本文以电加热管来模拟冷却通道，以航煤的模型化合物正癸烷作为考察对象，通过实验和计算的方法深入解析了电加热管内正癸烷流动、传热与裂解反应耦合过程。构建了电加热管内正癸烷流动与传热过程的CFD模型，并开展了相关的传热实验，研究了超临界碳氢燃料的流动与传热特性。发现：(1)温度在电加热管内的分布不仅存在轴向差异，同样存在径向差

4、异；提高加热电流能够同时提高流体的流动和传热性能。(2)在近临界压力区（大于临界压力），降低压力，可以提高流体与管壁之间的对流传热能力，降低壁温和流体温度，并且操作压力越靠近正癸烷的临界压力，这种影响就越明显；提高操作压力会降低管内流体的流动性能。(3)在低温区，增大进料流量对流体流动影响较小，在中温区，增大进料流量会降低流体的流动性能，在高温区，增大进料流量能够有效地提高流体的流动性能；增大进料流量能够提高流体的传热性能。(4)增大管径会同时降低流体的流动和传热性能。通过引入二次裂解反应，拓展了正癸烷热裂解PPD模型在高转化率下的适用性。以此为基础，结

5、合CFD模型，解析了裂解反应影响流动和传热的机制。裂解反应会对流体的物性产生较大影响，包括密度降低、定压比热降低、热导率降低以及粘性系数升高。裂解反应对流体流动影响不大，但显著提高了流体和管壁之间的对流传热能力，降低了壁温和油温。在管出口处，努赛尔数提高了26.7%，壁温下降了约139.5℃，占壁温温升的12.2%。二次裂解反应对管壁温、流体温度以及裂解转化率影响较小，但明显提高了小分子裂解产物的收率，在管出口处结焦前驱体丙烯的收率提高了约7.5%。电加热管内流体的温度和组成分布不仅存在轴向差异，而且存在径向差异，管出口处，近壁面的油温和丙烯的质量分数分

6、别比管中心处提高了约50.9℃和3.9%。关键词：吸热碳氢燃料；高压；传热；热裂解；二次反应；数值计算万方数据ABSTRACTAsakeytechnologytosolvetheproblemofthermalprotectionfromscramjet,thedesignofregenerativecoolingchannelisofgreatimportance.Forthis,acomprehensiveunderstandingtothecharacteristicsofheattransferfromendothermichydrocarbon

7、fuelinregenerativecoolingchannelisneeded.Actually,theprocessofheattransferfromendothermichydrocarbonfuelinregenerativecoolingchannelisastronglycoupingprocessofmultiplephenomenoncontainingflow,heattransfercracking,cokingandetc.Atpresent,notenoughinformationisavailableontheresearch

8、ofthisprocess.Inthispaper,electricallyhe