正癸烷动力学模型的优化及其在超临界再生冷却模拟中的应用

《Fuel》：Optimization of n-decane kinetic model and its application in supercritical regenerative cooling simulations

超临界条件下再生冷却通道内n-癸烷裂解动力学模型优化及焦炭沉积效应研究。通过化学动力学模拟与敏感性分析优化n-癸烷裂解模型，并建立二维瞬态CFD耦合模型验证其准确性。结果表明优化模型可有效预测焦炭沉积起始位置、生长速率和质量分布，焦炭沉积导致热阻增加和有效流通面积减小，进而引发壁温升高和压降骤增。

　　

马正正|毛倩|程一帆|史宝路|王宁飞

北京理工大学航空航天工程学院，中国北京市海淀区中关村南路5号，邮编100081

摘要

在超临界条件下，吸热烃类燃料（EHFs）的热裂解和积炭现象对高超音速飞行器的安全性和性能至关重要。热解动力学模型的准确性对于预测再生冷却通道内的温度场、物种分布和积炭情况至关重要。本研究通过进行化学动力学模拟和敏感性分析，优化了正十二烷的热解模型。计算流体动力学（CFD）模拟结果表明，与文献中报道的现有模型相比，优化后的热解模型显著提高了流体温度、转化率和中间物种分布的预测精度。此外，通过将优化后的热解模型与MC-II积炭模型结合，建立了一个二维瞬态CFD模型。该模型采用动态网格方法来模拟再生冷却通道内催化积炭和热解积炭的生长过程。研究结果表明，优化后的热解模型能够可靠地预测积炭的形成位置、生长速率和质量分布。积炭会增加热阻，并由于有效流通面积的减小而加速流速，最终导致壁温升高和压降急剧增加。这项工作开发了一个高精度的热解模型，用于模拟超临界再生冷却通道中的热-化学-积炭耦合过程，为高超音速再生冷却系统的设计和优化提供了坚实的理论基础。

引言

超燃冲压发动机（scramjet）使得先进导弹、飞机和太空飞行器能够实现吸气式高超音速飞行。随着马赫数的增加，超燃冲压发动机燃烧室的壁温会急剧升高，当飞行马赫数超过6时，壁温可达到约2500 K [1]，[2]，[3]。这远远超过了材料的热耐受极限，对热防护系统提出了严峻挑战 [4]。在现有的冷却技术中 [5]，再生冷却被认为是最经济和高效的策略之一 [6]，[7]。具体而言，机载吸热烃类燃料被用作冷却剂。常见的吸热烃类燃料包括RP-3、HF-1、Jet-A、JP-8和JP-10 [8]，[9]，[10]，[11]。最近，基于应变多环结构（如n-环烷衍生物和环丙烷融合多环norbornanes）的先进高能量密度燃料的开发引起了广泛关注，这些燃料在现代超燃冲压发动机中具有潜在应用前景 [12]，[13]。在再生冷却系统中，吸热烃类燃料在冷却通道中循环流动，通过物理相变和化学裂解反应吸收热量，然后被注入燃烧室。当流体温度低于燃料热解起始温度时，冷却通道内的热传递主要由吸热燃料的热容量控制。然而，一旦流体温度超过热解阈值，流体的组成变化会显著影响温度和速度场，以及积炭的形成和分布 [14]，[15]。因此，准确的热解模型对于可靠地模拟冷却过程至关重要。

一般来说，烃类热解的动力学模型可以分为三类：单步全局模型、详细动力学模型和半经验（简化）模型。Zhong等人 [16] 建立了一个RP-3热解的单步全局模型，其中产物由未反应的RP-3、气相物种和液相残留物组成。由于煤油的复杂组成，通常使用替代模型。然而，对于传统的RP-3航空煤油，实验测量显示它由正烷烃、异烷烃、芳香烃和环烷烃组成 [17]。特别是正十二烷是RP-3的主要成分，在文献中常被用作RP-3的代表性模型 [18]，[19]，[20]。在Liu等人的实验研究中 [21]，直接比较了RP-3和正十二烷的热解和积炭行为。结果证实，正十二烷能够有效再现RP-3中观察到的烯烃产物的主导地位。因此，建立正十二烷的稳健动力学模型是在整合复杂芳香烃和环烷烃物种之前的必要步骤。Ward等人 [22] 提出了一个一步全局比例产物分布（PPD）模型，将正十二烷的初始裂解视为伪一级反应。基于PPD模型，进一步提出了单步模型以提高低温至中等温度下正十二烷热解的预测精度 [23]，[24]，[25]。然而，这些全局模型由于忽略了二次裂解反应而受到限制，从而限制了它们在超临界条件下（转化率低于20%）的应用范围。这对于马赫数超过6的飞行尤其成问题，因为在这些条件下，有效利用化学热沉需要冷却通道中的燃料实现高裂解转化率。后来，Jia等人 [26] 研究了773–943 K和3–5 MPa条件下正十二烷的热裂解，开发了一个包含164种物种和842个反应的详细动力学模型。尽管该模型提供了对反应路径和产物分布的全面见解，但它过于复杂，无法直接应用于计算流体动力学（CFD）模拟。因此，研究人员转向了半经验模型，通过简化复杂的反应网络。Wang等人 [27] 通过分析4 MPa和753–993 K下的热解产物，提出了一个包含16种物种和22个反应的半经验模型。然而，该模型与实验结果存在显著偏差。Li等人 [28] 后来提出了一个包含16种物种、26步的正十二烷模型，用于研究矩形冷却通道中的流动和热传递。尽管该模型在物种预测精度上优于Wang的模型 [27]，但在预测丙烯（积炭形成的关键前体）时仍存在显著误差，这严重影响了后续的积炭预测 [29]，[30]，[31]，[32]，[33]。

为了准确预测再生冷却通道内的温度场、燃料转化率、物种分布和积炭情况，本研究通过进行化学动力学模拟和敏感性分析优化了正十二烷的热解模型。在ANSYS Fluent中实现了一个二维轴对称模型，以验证优化后热解模型在不同运行条件下的性能，并系统地研究和分析了积炭对流动动力学和热传递的耦合效应。

正十二烷热解模型的敏感性分析

本研究使用Cantera 3.0.0和一维塞流反应器（PFR）模型 [34] 进行动力学建模。PFR模型能够描述等压条件下的燃料热解动态，从而实现模型验证和反应路径分析。选择了Li等人 [28] 开发的正十二烷热解模型，并根据Liu等人的实验数据进行了校准 [21]。由于该模型代表了当前的技术水平，本研究旨在

热解动力学的优化与验证

Liu等人 [28] 提出的正十二烷热解动力学模型已被广泛用于再生冷却通道内正十二烷热解和热传递的研究 [30]，[31]，[32]，[33]。因此，首先根据Liu等人提供的实验数据（工况A：热流密度 = 428 kW·m^?2，入口质量流量 = 0.6 g·s^?1，入口温度 = 307 K）[21] 对该模型进行了评估。如图S4和S5所示，两者之间存在显著差异

结论

本研究采用分层策略和迭代质量加权全局误差最小化框架，开发了一个优化的正十二烷热解动力学模型，将全局误差降低到10%以下。该模型被集成到CFD模拟中，系统地研究了超临界条件下再生冷却通道中的热解、流动、热传递和积炭过程。主要结论是

作者贡献声明

马正正：撰写——原始草稿、验证、研究、数据整理。毛倩：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、概念构思。程一帆：方法论、研究。史宝路：撰写——审稿与编辑、监督。王宁飞：撰写——审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）的国家人才计划、国家自然科学基金（项目编号：52576104）以及北京理工大学的启动基金的支持。