超临界压力下RP-3航空煤油吸热裂解反应的数值研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252014Vol35No61513—1521lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn超临界压力下RP一3航空煤油吸热裂解反应的数值研究赵国柱1，宋文艳h+，张若凌21．西北工业大学动力与能源学院，陕西西安7100722．中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川绵阳621000摘要：为深入理解主动冷却过程中碳氢燃料的超临界吸热裂解特性，采用RP3航空煤油的四组分替代模型、包含18种组分和24步反应的改

2、进KumarKunzru裂解反应动力学模型，对压力为5MPa时管道内RP3的吸热裂解反应过程进行了数值模拟，研究了裂解反应对燃料物性和传热特性的影响，以及裂解率较高时二次反应对RP3裂解的影响。结果表明：温度达到890K时，RP3的裂解率超过20％，其中芳烃占裂解产物的12．1％；RP3裂解后燃料物性显著变化，管道出口壁温和燃料温度分别降低了130K和129K，努塞尔数提高了16．5％，传热效率显著提高；裂解率较高时二次反应对RP3裂解的影响较大，相比不考虑二次反应的状态，带二次反应时RP3裂解率减小了29．1％，管道出口壁温和燃料温度分别降低了34K和22K。关键词：超临界压力；

3、RP3航空煤油；吸热裂解；二次反应；再生冷却中图分类号：V312+．1文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06151309为满足高超声速的飞行需求，采用吸热型碳氢燃料进行主动再生冷却已成为目前解决超燃冲压发动机热防护问题的主要研究方向之一[1。2]。再生冷却发动机工作时，冷却燃料通常处于超临界压力下，与发动机壁面进行对流传热。随着吸热的进行，燃料温度超过临界温度达到超临界态，并伴随高温裂解反应的发生。燃料裂解时会吸收大量的热，此时燃料的热沉除物理热沉外，还包括化学热沉，吸热能力显著增强，有利于提高主动冷却效率。因此，针对超临界压力下碳氢燃料的吸热裂解反应进行数值计算

4、研究，有助于深入理解主动再生冷却传热机理。国内外开展了较多针对高压／超临界压力下碳氢燃料裂解反应的研究口。5]。但是在数值计算方面，可用于模拟高压／超临界压力下碳氢燃料热裂解反应的模型较少。主要包括Sheu等邸1通过研究高温高压(870K，6．89MPa)条件下Norpar13的裂解特性时，提出了3步集总反应模型。Zhong等口。81在研究RP3的裂解现象时，采用了适用于工程计算的一步集总反应模型。Ward等凹。1胡在研究正构烷烃(咒C。咒C。。)裂解现象的基础上，提出了适用于低转化率(<20％)条件的PPD(ProportionalProductDistribution)模型，并

5、已得到部分应用口“。但是这些模型不能预测芳烃的生成和产物的二次反应，从而难以准确计算燃料的物性和把握高转化率时二次反应对裂解产生的影响。阮波和孟华口21构建了碳氢燃料裂解吸热反应的数值计算方法，可以实现对复杂二次反应的计算，但具体计算结果还未见报道。Jiang等口31基于电加热管实验，通过对KumarKunzru收稿日期：2013—07—22；退修日期：2013—12—17；录用日期：2014—02—20；网络出版时间：2014—03—0716：54网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／107527／S1000—689320130547html*通讯作者Tel

6、：029—88494852E-mai

7、：wenyansong@nwpueducn黾属格式ZhaoGZ，SongWY，ZhangRLNumericalstudyonthermalcrackingofRP-3aviationkeroseneundersupercriticalpressurefJ3ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／ca，2014，35(6)：1513—1521赵国柱，宋文艳，张若凌超临界压力下RP-3航空煤油吸热裂解反应的数值研究!正航空学报，2014，35(6)：1513．1521航空学报反应动力学模型进行修正，提出了一套RP3的裂解反

8、应模型(MKK)，包括1个一步总体反应和23个二次反应。该模型考虑了中问馏分(C。C。。)中链烯烃和环烯烃的生成和消耗反应，并可预测芳烃的生成。总体来说，受裂解反应动力学模型的限制，目前对超临界压力下碳氢燃料裂解反应的数值计算研究仍十分有限。本文采用包含咒1个组分连续方程的NavierStokes方程与碳氢燃料热物性计算程序耦合，建立了数值计算模型，通过与文献中实验数据的对比验证了计算方法。基于建立的数值计算模型，采用RP3的四组分替代模型、MKK裂解反应动力学模型，