超臨界狀態航空煤油裂解的傳熱特性仿真

粟 銀，王壯壯，周章文，張登成

(1. 空軍工程大學基礎部，陜西 西安 710051；2. 空軍工程大學航空機務士官學校，河南 信陽 464000；3. 空軍工程大學航空工程學院，陜西 西安 710038)

1 引言

碳氫燃料由于具有較高的體積熱值和熱沉，廣泛用于超燃沖壓發動機的再生冷卻系統[1]。碳氫燃料在發動機主動行冷卻通道內自身溫度升高，引發其熱裂解反應，一方面熱裂解反應屬于吸熱反應，在生成小分子物質的同時提升了碳氫燃料吸熱能力，另一方面當碳氫燃料熱裂解程度較高時，會產生焦油和焦炭等副產物殘留在管壁上造成管壁局部過熱甚至損壞[2]。

對于吸熱型碳氫燃料熱裂解，國內外都有一定的研究。Fabuss等[3，4]最先對鏈烷烴、環烷烴及混合組分的烴類在高壓條件下的熱裂解反應進行了實驗研究，認為熱裂解吸熱的同時產生較多的小分子氣體有利于燃燒、可以應用于主動冷卻技術中，不足的是裂解反應過程復雜且不可控，同時不可避免會產生較多積炭。Ward等[5，6]使用PPD模型構建了正癸烷和十二烷的簡化反應模型并進行了數值研究，使用PPD模型建立的簡化反應模型對于碳氫燃料發生輕度裂解(裂解率小于20%)時具有很好的適用性。Zhong等[7]對RP-3航空煤油的熱裂解開展了實驗研究，發現約在800K時開始發生煤油裂解，同時分析了流量、壓力對熱裂解反應的影響，認為提高駐留時間能夠有效促進裂解反應程度。劉志琦[8]使用簡化的12組分PPD模型對正十烷的裂解反應開展了數值模擬，發現正十烷的輕微裂解僅發生在近壁區域且降低了壁面溫度，對主流區域的溫度場幾乎沒有影響。Jiang等[9]通過對RP-3航空煤油熱裂解實驗研究，提出了包含18種產物，1個總包反應和23個二次反應的裂解反應模型，預測5.0MPa壓力下航空煤油的裂解率最高時達到86%。總之，由于航空煤油熱裂解反應過程復雜，對于超臨界壓力下航空煤油裂解傳熱的數值模擬研究是目前研究的熱點問題之一。

本文構建了一步裂解總體反應模型，對超臨界壓力下水平圓管內RP-3航空煤油的裂解傳熱進行了數值模擬，并研究了裂解反應和入口質量流量對RP-3航空煤油傳熱特性的影響，為發動機主動冷卻系統設計提供依據。

2 計算模型

2.1 計算模型和邊界條件

由于圓管的軸對稱性，可以簡化為二維軸對稱圓管，如圖1所示。圓管直徑為1 mm，加熱段長度為500 mm，加熱段前端為100 mm的絕熱段。入口邊界條件為質量流量入口，入口溫度Tin=300 K；加熱段邊界為壁面邊界條件，將壁面受熱條件簡化為恒定的熱流，熱流密度qw=1.5 MW/m2；出口邊界條件為壓力出口，且出口壓力大于煤油的臨界壓力pout=5 MPa。

圖1 物理模型示意圖

數值計算中，Tw表示加熱壁面溫度，Tf為平均油溫，其定義為

(1)

2.2 網格劃分

考慮到圓管的對稱性，取圖1的一半進行網格劃分。采用O-grid創建結構化網格，為了提高計算精度需要對壁面網格進行加密處理，第一層網格高度為10-6m，確保近壁區網格y+≤1，軸向網格則采取均勻劃分的方式。經過網格無關性驗證，最終取50×2000的網格進行計算。截面網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

2.3 裂解反應模型

碳氫燃料裂解的詳細機理涉及上千個基元反應，難以直接采用詳細機理對化學反應進行模擬。本文基于Jiang[9]對RP-3航空煤油熱裂解的實驗研究，為節約計算量，構建了一步裂解總體反應模型，表達式為

RP-3(C11.85H23.82)→0.1086H2+0.4773CH4+0.5586C2H4+0.39C2H6+0.41C3H6+0.2001C3H8+0.2246C4H8+0.0353C4H10+0.031C4H6+0.7201C5++0.27CC5++0.0222CnH2n-6

(2)

式中：C5+、CC5+、CnH2n-6為裂解產物中的液相產物，其熱物性可以用液相產物中的主要組分來估算。C5+為鏈烷烴和鏈烯烴的集總，由摩爾百分比40%的戊烯、60%的己烯替代；CC5+為環烷烴和環烯烴的集總，由50%的環戊烷、50%的甲基環己烷替代；CnH2n-6為芳香族化合物，由1，3，5-三甲基苯替代。

數值計算中，RP-3航空煤油裂解率YRP-3定義為

YRP-3=(1-mRP-3/min)×100%

(3)

式中，mRP-3為通道中剩余的RP-3航空煤油的質量，min為入口煤油的質量。

2.4 碳氫燃料熱物性模型

RP-3航空煤油包含以正/異構烷烴、環烷烴、芳烴為主的成百上千種碳氫化合物，難以在熱物性計算時將所有物質考慮在內，故采用仲峰泉等[10]提出的十組分替代模型在NIST Supertrapp熱物性計算軟件中得到替代模型的熱物性[11，12]，裂解產物的熱物性計算方法與此相同。5 MPa壓力下煤油的物性隨溫度的變化規律如圖3所示。

圖3 5 MPa壓力下RP-3航空煤油的熱物性

2.5 數值計算方法及驗證

湍流模型為RNGk-ε兩方程模型，近壁區采用增強壁面處理法，通過有限容積法離散三維的Navier-Stokes方程，運用SIMPLEC算法求解壓力-速度耦合方程，動量和能量方程均采用二階迎風格式[17]。利用吳勇[2]在正庚烷高溫裂解試驗數據及裂解模型，采用本論文中數值計算方法進行驗證，結果如圖4所示。對于有無裂解進行仿真計算與參考文獻數據最大誤差在7.93%以內，故認為計算方法可靠。

圖4 數值仿真方法驗證

3 計算結果分析

3.1 裂解對煤油流動換熱的影響

在冷卻通道出口壓力pout=5MPa，熱流密度qw=1.5MW/m2，質量流量min=1g/s的計算條件下，對比分析考慮裂解和不考慮裂解兩種情況下煤油的換熱特性。圖5、圖6分別為平均油溫、壁面溫度和裂解率沿流向的分布。在通道內0.3m處，對應的煤油平均溫度為776.27K，在此位置之前，對應的溫度較低，還未發生裂解反應，與不考慮裂解時的平均油溫和壁面溫度的分布基本一致；在通道內0.3m處，煤油開始發生裂解反應，但此時裂解率較低，對平均油溫和壁面溫度的影響較小；此后隨著裂解發應的進行，沿流向裂解率緩慢增長，平均油溫和壁面溫度也開始降低；在0.35m處對應的煤油平均溫度為833.85K，此時裂解較為明顯，相比于不考慮裂解時平均油溫和壁溫也明顯降低，沿流向裂解率趨向于線性增長。因此裂解反應能顯著提升了煤油作為冷卻劑的換熱能力，出口處，煤油的平均油溫和壁面溫度分別降低了84.49K、88.23K，分別為出口油溫和壁面溫度的8.33%、7.92%。

圖5 平均油溫、壁溫沿流向分布

圖6 煤油裂解率沿流向分布

RP-3航空煤油在冷卻通道內發生裂解反應生成小分子物質，與煤油形成混合物，其熱物性與RP-3煤油也會有很大區別，隨著裂解反應的進行，生成的小分子物質增多，混合物的熱物性會發生明顯變化，從而對煤油流動換熱產生一定影響，圖7、圖8為考慮裂解反應與不考慮裂解反應時通道內平均熱物性的分布。發生裂解反應時，混合物的密度與定壓比熱降低，在通道出口處分別降低了46.9%、3.02%，與不考慮裂解相比略有降低；熱導率升高，在通道出口處增加了8.64%；動力粘度保持在較低的水平，考慮裂解時的動力粘度略大。定壓比熱的降低雖然不利于煤油的吸熱，但密度的降低和熱導率的升高促進煤油吸收更多熱量。

圖7 密度與定壓比熱沿流向分布

圖8 熱導率與動力粘度沿流向分布

隨著裂解反應發生，混合物密度的降低會導致流體速度迅速增大，從而影響煤油的換熱特性。圖9為考慮裂解反應與不考慮裂解反應時通道內平均速度的分布。在未發生裂解反應時速度的增加較為緩慢，在發生裂解反應時速度迅速增大，考慮裂解與不考慮裂解兩種情況下，出口處平均速度分別為24.82 m/s、13.08 m/s。速度的迅速增大，也會影響壓力損失的變化，圖10為考慮裂解反應與不考慮裂解反應時通道內壓力損失的分布。出口處考慮裂解時的壓力損失78.63 kPa，約為不考慮裂解時的1.69倍，裂解反應的發生提升了煤油的吸熱能力，但同時也顯著的增加了壓力損失。

圖9 速度沿流向分布

圖10 流動壓力損失分布

3.2 不同流量下煤油的流動換熱特性

入口質量流量的不同會影響通道內溫度及速度分布，從而改變煤油駐留時間，對煤油裂解程度造成一定影響。在其余計算條件不變的情況下，取0.8g/s、1.0g/s、1.2g/s三組質量流量，圖11、圖12分別為不同質量流量下溫度和裂解率沿流向的分布，隨著流量增加，平均油溫和壁溫均有所降低，煤油裂解率也顯著降低，裂解率增加的速度也有所降低。從平均溫度分布來看，裂解反應未發生時，沿流動方向不同流量下平均溫度的差距越來越大，但隨著裂解反應的發生和煤油裂解程度的加深，溫差逐漸減小，說明裂解程度越高，通過裂解反應吸收的熱量也越多。

圖11 不同質量流量下溫度沿流向分布

圖12 不同質量流量下裂解率沿流向分布

煤油裂解程度越高，生成小分子物質也越多，對煤油流動狀態的影響也就越大。圖13、圖14分別為不同質量流量下速度和壓力損失沿流向的分布。在0.2m之前，此時三種流量下均未發生裂解反應，速度變化較小，但隨著裂解反應發生，質量流量越小，速度反而越大，這是由于流量較小時，裂解反應發生位置提前且裂解程度越高，生成的小分子物質較多，混合物密度相對較小，流速較高。速度的變化也導致壓力損失的變化與常規換熱有所不同，隨著流量增加壓力損失也越來越小。雖然流量越大流速也越大，但裂解反應對流速的影響顯然大于流量對流速的影響。可見較大的裂解率雖然有助于換熱，但也顯著增加了流動壓力損失。

圖13 不同質量流量下速度沿流向分布

圖14 不同質量流量下壓力損失沿流向分布

為進一步研究質量流量對煤油流動換熱的作用規律，在入口質量流量0.8～1.25 g/s的范圍內，等間隔取10組入口質量流量進行計算。以通道內最高溫度為參數，考慮裂解與不考慮裂解時不同質量流量下通道內最高溫度和裂解率分布分別如圖15、圖16所示。流量越低，煤油裂解率就越高，裂解反應吸收的熱量也就越多，隨著流量增加，煤油裂解率降低，裂解反應對煤油吸熱的影響逐漸減小。入口質量流量在0.8～1.2 g/s的范圍內時，最高溫度和煤油裂解率隨流量的變化趨向于線性分布，質量流量在0.9～1.2 g/s時，裂解率范圍為62.88～9.08%，此時線性分布趨勢更加明顯。質量流量為1.25 g/s時，此時裂解率僅有6.15%，通道內最高溫度僅相差8 K，可見此時裂解反應對于煤油換熱的影響較小。因此當裂解率較小時，即小于6%時，裂解反應對煤油換熱的影響較小，可以忽略。

圖15 不同質量流量下最高溫度分布

圖16 不同質量流量下出口處煤油裂解率分布

4 結論

本文基于水平圓管對比研究了是否考慮裂解時通道內RP-3航空煤油的換熱特性，并對入口質量流量對煤油裂解的影響進行了分析，得出如下結論：

1)在平均油溫達到833.85K時，裂解反應較為劇烈，沿流動方向煤油裂解率呈線性增長，裂解反應的發生大幅降低了平均油溫和壁面溫度。

2)煤油發生裂解時，混合物的熱物性也發生了變化，其密度與定壓比熱降低，熱導率升高，密度的降低導致其流速迅速增加，雖然裂解反應能改善煤油流動換熱效果，但也增大了流動壓力損失。

3)降低質量流量會提高通道內煤油溫度，從而使煤油發生裂解位置提前，裂解率也較高，裂解反應吸收的熱量也就越多，但也極大的增加了流動壓力損失。

4)冷卻通道內，航空煤油質量流量降低有利于其裂解，從而吸收更多熱量，但其質量流量的降低會使得主動冷卻通道總熱沉減少，因此在主動冷卻系統設計時要綜合權衡其影響。