超临界压力碳氢燃料裂解传热及其动态响应特性数值模拟研究
发布时间：2021-05-01 03:46
超燃冲压发动机是实现高超声速飞行的理想动力装置,也是高超声速飞行器研发中极具挑战性的研究课题。随着飞行马赫数的提高,燃烧室的冷却是目前亟待解决的关键问题。以碳氢燃料为冷却剂的再生冷却技术是保证发动机长时间可靠运行最有效的方式之一,该技术主要通过燃料的对流传热和裂解吸热对发动机进行冷却。冷却过程中冷却通道内的压力通常高于燃料的临界压力,燃料的物理和化学变化过程非常复杂。因此,准确预测超临界压力碳氢燃料的流动传热与裂解反应特性对发动机冷却系统的设计和优化具有重要意义。本文以超燃冲压发动机再生冷却过程为研究对象,建立了超临界压力下碳氢燃料裂解反应和流动传热现象模拟的高效数值方法,并对其可靠性进行了充分的验证。在此基础上,针对超临界压力碳氢燃料裂解传热过程中的强化传热现象、浮升力效应以及动态响应行为展开了数值模拟研究。本文主要研究内容归纳如下:（1）为了快速预测发动机冷却通道内碳氢燃料在考虑热裂解反应时的流动传热特性,基于一步总包裂解反应机理,建立了一种模拟碳氢燃料裂解反应和超临界压力传热现象的快速算法。首先,构建三维物性查表算法计算裂解反应混合物的热物性。然后,对组分输运方程求解过程进行优化...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 超临界压力碳氢燃料及其特性
1.2.1 超临界压力碳氢燃料热物性
1.2.2 超临界压力碳氢燃料替代模型
1.2.3 超临界压力碳氢燃料热裂解
1.3 超临界压力碳氢燃料传热研究现状
1.3.1 圆管内超临界压力碳氢燃料传热
1.3.2 矩形冷却通道内超临界压力碳氢燃料传热
1.3.3 超临界压力碳氢燃料传热中的流动振荡现象
1.4 本文的出发点与研究内容
1.4.1 本文的出发点
1.4.2 主要研究内容
2 数值计算模型与验证
2.1 引言
2.2 数值计算模型
2.2.1 守恒方程
2.2.2 湍流模型
2.2.3 化学动力学模型
2.2.4 物性计算方法
2.2.5 边界条件与初始条件
2.2.6 数值离散方法
2.3 模型验证
2.3.1 物性验证
2.3.2 超临界压力流体湍流传热验征
2.3.3 超临界压力碳氢燃料裂解传热验证
2.3.4 超临界压力流体水平管内浮升力计算模型验证
2.3.5 非定常流动传热计算方法验证
2.4 本章小结
3 超临界压力碳氢燃料裂解反应与流动传热模拟的快速算法
3.1 引言
3.2 热物性查表法
3.2.1 查表法实现过程
3.2.2 查表法效率和精度
3.3 组分输运方程的等效一组分算法
3.3.1 组分输运特性分析
3.3.2 等效一组分算法的提出及其理论基础
3.4 快速算法的计算效率与精度分析
3.4.1 圆管内裂解传热计算
3.4.2 矩形冷却通道内裂解传热计算
3.4.3 非定常裂解传热计算
3.5 快速算法对其他反应机理的适用性
3.6 本章小结
4 超临界压力碳氢燃料波纹圆管内裂解传热数值模拟
4.1 引言
4.2 物理模型
4.3 波纹管对流动传热和裂解反应的影响
4.3.1 波纹管强化换热特性及其机理
4.3.2 波纹管对裂解反应特性的影响
4.3.3 波纹管压降及换热性能评估
4.4 波纹管对热沉利用的影响
4.4.1 对物理热沉的影响
4.4.2 对化学热沉的影响
4.4.3 对总热沉的影响
4.5 波纹高度的影响
4.6 本章小结
5 超临界压力碳氢燃料水平矩形冷却通道内裂解传热数值模拟
5.1 引言
5.2 计算模型与说明
5.3 考虑浮升力时燃烧室不同位置冷却通道的裂解传热特性
5.3.1 燃烧室上侧冷却通道
5.3.2 燃烧室下侧冷却通道
5.3.3 燃烧室左侧冷却通道
5.3.4 换热性能评估
5.4 壁面热流密度的影响
5.5 入口速度的影响
5.6 本章小结
6 超临界压力碳氢燃料流动传热动态响应特性
6.1 引言
6.2 物理模型与计算说明
6.3 动态响应主导机制及影响因素分析
6.3.1 热流密度的影响
6.3.2 入口速度的影响
6.3.3 冷却通道长度的影响
6.3.4 出口压力的影响
6.4 考虑轻度裂解反应时的动态响应特性
6.5 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录A SRK状态方程中的变量及其偏导数
附录B 组分输运方程等效一组分算法的相关证明
攻读博士学位期间取得的学术成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]螺旋波纹管及其换热器的发展综述[J]. 吴志伟,钱才富,王薪. 化工机械. 2018(01)
[2]超临界压力下航空煤油热声振荡的特性和预测[J]. 王彦红,李素芬. 化工学报. 2018(04)
[3]不同组分对航空煤油物性替代模型的影响[J]. 裴鑫岩,侯凌云. 清华大学学报(自然科学版). 2017(07)
[4]超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究[J]. 严俊杰,刘耘州,闫帅,芦泽龙,祝银海,姜培学. 工程热物理学报. 2016(11)
[5]低裂解度正癸烷物性快速计算方法[J]. 程泽源,朱剑琴. 推进技术. 2016(08)
[6]超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究[J]. 王彦红,李素芬,东明,浦航. 推进技术. 2016(03)
[7]竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应[J]. 程泽源,朱剑琴,李海旺. 航空学报. 2016(10)
[8]方形再生冷却通道内超临界正癸烷湍流传热数值研究[J]. 王彦红,李素芬,东明. 推进技术. 2015(11)
[9]航空煤油替代燃料模型热物性[J]. 裴鑫岩,侯凌云,莫崇康,董宁. 航空动力学报. 2015(09)
[10]超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究[J]. 贾洲侠,徐国强,闻洁,龙晓东,王越. 北京航空航天大学学报. 2016(01)
博士论文
[1]航空煤油RP-3超临界压力湍流传热和裂解吸热现象的数值模拟研究[D]. 徐可可.浙江大学 2017
[2]管内超临界流动传热特性及应用研究[D]. 陈玮玮.南京航空航天大学 2016
[3]超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化的机理及预测研究[D]. 王彦红.大连理工大学 2016
[4]碳氢燃料超燃冲压发动机再生/膜复合冷却特性研究[D]. 章思龙.哈尔滨工业大学 2016
[5]超临界压力下航空煤油换热特性的实验和数值模拟研究[D]. 黄丹.浙江大学 2016
[6]超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与应用[D]. 赵国柱.西北工业大学 2015
[7]超燃冲压发动机主动冷却通道内的超临界流动与传热过程数值模拟[D]. 刘志琦.国防科学技术大学 2015
[8]超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性的数值研究[D]. 冯宇.哈尔滨工业大学 2014
[9]超燃冲压发动机再生冷却通道内煤油流动与传热特性研究[D]. 王宁.国防科学技术大学 2014
[10]超临界压力下正癸烷裂解吸热和对流传热现象的数值模拟研究[D]. 阮波.浙江大学 2013
硕士论文
[1]高热流下超临界航空煤油流动与换热特性数值模拟研究[D]. 郑鑫.哈尔滨工业大学 2017
[2]小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D]. 谢凯利.哈尔滨工业大学 2015
[3]超临界压力下低温甲烷在肋片冷却圆管中的强化传热的数值模拟研究[D]. 唐丽君.浙江大学 2014
[4]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[D]. 张强强.天津大学 2014
[5]吸热型碳氢燃料正癸烷高温裂解机理研究[D]. 贾贞健.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3170081
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 超临界压力碳氢燃料及其特性
1.2.1 超临界压力碳氢燃料热物性
1.2.2 超临界压力碳氢燃料替代模型
1.2.3 超临界压力碳氢燃料热裂解
1.3 超临界压力碳氢燃料传热研究现状
1.3.1 圆管内超临界压力碳氢燃料传热
1.3.2 矩形冷却通道内超临界压力碳氢燃料传热
1.3.3 超临界压力碳氢燃料传热中的流动振荡现象
1.4 本文的出发点与研究内容
1.4.1 本文的出发点
1.4.2 主要研究内容
2 数值计算模型与验证
2.1 引言
2.2 数值计算模型
2.2.1 守恒方程
2.2.2 湍流模型
2.2.3 化学动力学模型
2.2.4 物性计算方法
2.2.5 边界条件与初始条件
2.2.6 数值离散方法
2.3 模型验证
2.3.1 物性验证
2.3.2 超临界压力流体湍流传热验征
2.3.3 超临界压力碳氢燃料裂解传热验证
2.3.4 超临界压力流体水平管内浮升力计算模型验证
2.3.5 非定常流动传热计算方法验证
2.4 本章小结
3 超临界压力碳氢燃料裂解反应与流动传热模拟的快速算法
3.1 引言
3.2 热物性查表法
3.2.1 查表法实现过程
3.2.2 查表法效率和精度
3.3 组分输运方程的等效一组分算法
3.3.1 组分输运特性分析
3.3.2 等效一组分算法的提出及其理论基础
3.4 快速算法的计算效率与精度分析
3.4.1 圆管内裂解传热计算
3.4.2 矩形冷却通道内裂解传热计算
3.4.3 非定常裂解传热计算
3.5 快速算法对其他反应机理的适用性
3.6 本章小结
4 超临界压力碳氢燃料波纹圆管内裂解传热数值模拟
4.1 引言
4.2 物理模型
4.3 波纹管对流动传热和裂解反应的影响
4.3.1 波纹管强化换热特性及其机理
4.3.2 波纹管对裂解反应特性的影响
4.3.3 波纹管压降及换热性能评估
4.4 波纹管对热沉利用的影响
4.4.1 对物理热沉的影响
4.4.2 对化学热沉的影响
4.4.3 对总热沉的影响
4.5 波纹高度的影响
4.6 本章小结
5 超临界压力碳氢燃料水平矩形冷却通道内裂解传热数值模拟
5.1 引言
5.2 计算模型与说明
5.3 考虑浮升力时燃烧室不同位置冷却通道的裂解传热特性
5.3.1 燃烧室上侧冷却通道
5.3.2 燃烧室下侧冷却通道
5.3.3 燃烧室左侧冷却通道
5.3.4 换热性能评估
5.4 壁面热流密度的影响
5.5 入口速度的影响
5.6 本章小结
6 超临界压力碳氢燃料流动传热动态响应特性
6.1 引言
6.2 物理模型与计算说明
6.3 动态响应主导机制及影响因素分析
6.3.1 热流密度的影响
6.3.2 入口速度的影响
6.3.3 冷却通道长度的影响
6.3.4 出口压力的影响
6.4 考虑轻度裂解反应时的动态响应特性
6.5 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录A SRK状态方程中的变量及其偏导数
附录B 组分输运方程等效一组分算法的相关证明
攻读博士学位期间取得的学术成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]螺旋波纹管及其换热器的发展综述[J]. 吴志伟,钱才富,王薪. 化工机械. 2018(01)
[2]超临界压力下航空煤油热声振荡的特性和预测[J]. 王彦红,李素芬. 化工学报. 2018(04)
[3]不同组分对航空煤油物性替代模型的影响[J]. 裴鑫岩,侯凌云. 清华大学学报(自然科学版). 2017(07)
[4]超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究[J]. 严俊杰,刘耘州,闫帅,芦泽龙,祝银海,姜培学. 工程热物理学报. 2016(11)
[5]低裂解度正癸烷物性快速计算方法[J]. 程泽源,朱剑琴. 推进技术. 2016(08)
[6]超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究[J]. 王彦红,李素芬,东明,浦航. 推进技术. 2016(03)
[7]竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应[J]. 程泽源,朱剑琴,李海旺. 航空学报. 2016(10)
[8]方形再生冷却通道内超临界正癸烷湍流传热数值研究[J]. 王彦红,李素芬,东明. 推进技术. 2015(11)
[9]航空煤油替代燃料模型热物性[J]. 裴鑫岩,侯凌云,莫崇康,董宁. 航空动力学报. 2015(09)
[10]超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究[J]. 贾洲侠,徐国强,闻洁,龙晓东,王越. 北京航空航天大学学报. 2016(01)
博士论文
[1]航空煤油RP-3超临界压力湍流传热和裂解吸热现象的数值模拟研究[D]. 徐可可.浙江大学 2017
[2]管内超临界流动传热特性及应用研究[D]. 陈玮玮.南京航空航天大学 2016
[3]超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化的机理及预测研究[D]. 王彦红.大连理工大学 2016
[4]碳氢燃料超燃冲压发动机再生/膜复合冷却特性研究[D]. 章思龙.哈尔滨工业大学 2016
[5]超临界压力下航空煤油换热特性的实验和数值模拟研究[D]. 黄丹.浙江大学 2016
[6]超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与应用[D]. 赵国柱.西北工业大学 2015
[7]超燃冲压发动机主动冷却通道内的超临界流动与传热过程数值模拟[D]. 刘志琦.国防科学技术大学 2015
[8]超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性的数值研究[D]. 冯宇.哈尔滨工业大学 2014
[9]超燃冲压发动机再生冷却通道内煤油流动与传热特性研究[D]. 王宁.国防科学技术大学 2014
[10]超临界压力下正癸烷裂解吸热和对流传热现象的数值模拟研究[D]. 阮波.浙江大学 2013
硕士论文
[1]高热流下超临界航空煤油流动与换热特性数值模拟研究[D]. 郑鑫.哈尔滨工业大学 2017
[2]小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D]. 谢凯利.哈尔滨工业大学 2015
[3]超临界压力下低温甲烷在肋片冷却圆管中的强化传热的数值模拟研究[D]. 唐丽君.浙江大学 2014
[4]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[D]. 张强强.天津大学 2014
[5]吸热型碳氢燃料正癸烷高温裂解机理研究[D]. 贾贞健.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3170081
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