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

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252011V01．32No．122220．2226ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．crl文章编号：i000—6893(2011)12—2220—07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阮波，孟华*浙江大学航空航天学院，浙江杭州310027摘要：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

2、～11．38MPa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I

3、缶界传热现象提供了一个有效的模拟计算工具。关键词：超临界传热；数值模拟；碳氢燃料；正癸烷；热裂解；主动再生冷却中图分类号：V511+．1文献标识码：A近年来，高超声速飞行器的研究与应用取得了较大的进展。在高超声速飞行器飞行时，由于气体摩擦生热，周围气流具有很高的温度，这就排除了

4、利用空气的对流传热来冷却飞行器受热部件的可行性。为了满足飞行器及发动机的冷却需求，利用吸热型碳氢燃料的超临界传热和高温裂解化学反应吸热成为目前一个有效的解决方案。这样不仅可以利用对流传热过程中的显焓变化来实现对燃烧室的主动再生冷却，同时燃料发生高温裂解化学反应时也能吸收大量的热。因此，针对吸热型碳氢燃料的裂解吸热反应及超临界传热的耦合现象开展数值模拟研究对掌握高超声速飞行器的传热及主动再生冷却机理非常关键。国内外学者关于碳氢燃料热裂解现象开展了许多实验和数值模拟方面的研究。Zhou和Crynes研究了正十二烷在中等温度、高压环境下的热裂解现象[1]。在最高温度为60

5、0K时，反应生成一系列烷烃和烯烃，随着压力的增大，反应更易生成饱和碳氢化合物且更倾向于产生重组分，他们认为可以用修正的自由基链机理来解释这些现象。随后，Zhou等对一系列直链烷烃及其混合物在常压下、温度在623～893K范围内的热裂解进行了研究[2]，包括C。、C。：、C，。、C。。和C：：。他们发现无支链烃热裂解主要产生1一烯烃，而且1一烯烃的生成受到压力的重要影响，压力越低，裂解生成1一烯烃的选择度越高。Yu和Eser对C10-C。。的正烷烃在跨临界、超临界条件下进行了热裂解实验研究[34]。研究结果表明，C10-C，。正烷烃裂解的主要产物是C。一C。一：正烷烃

6、和C：一C。一。1一烯烃，次要产物是cis-和trans一2一烯烃、n-C。一1和n-C。+1、及C。+2一C2。一2正烷烃和支链烷烃(m为反应物碳原子数)。文献[3]～文献[4]给出了化学反应一阶速率常数，收稿日期：2011·03-31；退修日期：2011-04—27；录用日期：2011．06．16；网络出版时间：2011—06—27”：33网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20110627．1733．003．htmIDOI：CNKI：11．1929／V．20110627．1733．003基金项目：浙江省自然科学基金

7、(R1100300)*通讯作者．Tel．：0571-87952990E．mail：menghua@zju．eduCN飘用格式l既渡．盂华．碳氢燃料裂解吸热反痘及趟临界传热现象教值模型的构建与验证cJ3÷航空学撮。20¨。32(12)：2220-2226．RuanBo，MengHua．Numericalmodaldevelopmentandvalidationforhydrocarbonfuelsupercriticalheattransferwithendother-micpyrolysisL以．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica

8、．20¨．32(12)；2220-2226．阮波等：碳氢燃料裂解吸热反应及超临界传热现象数值模犁的构建与验证并发现在跨临界区域时压力对反应速率常数会产生一定的影响。煤油是一种吸热型碳氢燃料，可以用做高超声速飞行器的推进剂。但煤油是多种烷烃、芳烃组成的混合物，对其高温裂解化学反应机理的研究目前还不充分。而从基础研究方面来看，正癸烷(C。。H：。)和正十二烷(C。。H：。)与航空煤油的热物性非常相似，因此可以采用正癸烷或正十二烷作为煤油的替代燃料来研究吸热型碳氢燃料的超临界传热及热裂解反应的耦合作用机理。Ward等对正癸烷在3．45MPa、最大壁面温度为773～87