低阶煤的微生物降解：微观结构演变与氧化抑制机制

《Fuel》：Microbial degradation of low-rank coal: Microstructural evolution and oxidation inhibition mechanisms

航空煤油热氧化沉积机理及三维通道特性研究。采用含24组分、19步反应的伪详细动力学模型，结合动态网格技术，对比直通、分歧和收敛冷却通道中航空煤油的热氧化沉积特性。结果表明收敛通道因入口段高温加速沉积，导致出口传热系数提升34.27%，压降增加70.87%，沉积峰值达97.13μm；分歧通道沉积峰值121.05μm，传热系数下降17.70%。

　　航空燃料的热氧化沉积是推进发动机热管理技术发展过程中面临的主要挑战之一。随着飞机速度的提升，发动机内部的温度环境变得更为严峻，因此需要更先进的热管理系统来有效消除过高的热负荷。再生冷却技术，利用航空燃料作为推进剂和冷却剂，被认为是一种有效的热保护方案。然而，航空燃料在吸热过程中可能会发生热氧化沉积，导致管道内壁形成难以清除的焦炭。这种焦炭沉积不仅会降低热交换效率，还可能堵塞冷却通道，从而影响发动机的正常运行。因此，对航空燃料在冷却通道中的热氧化过程进行详细分析，对于减少焦炭形成具有重要意义。

当航空燃料的温度达到420至720K时，热氧化反应会发生，其中溶解的氧气与燃料结合形成自由基前体，进而引发一系列自由基链式反应，最终导致焦炭的形成。航空燃料的热氧化沉积过程受到多种物理和化学因素的影响。物理因素包括温度、操作压力、质量流量以及冷却通道的形状，而化学因素则涉及燃料成分、添加剂和溶解氧浓度等。自上个世纪以来，研究人员发现航空燃料在长期储存过程中会发生劣化并产生沉积物。加热会加剧沉积物的形成，因此学者们进行了大量实验研究以探索航空燃料的沉积过程。早期的实验研究主要关注压力、燃料温度和流速对热氧化沉积的影响。结果表明，燃料温度对沉积速率的影响最为显著。此外，有研究指出，管道中焦炭沉积的厚度会随着流体流动方向的推进而先增加后减少，这一现象与燃料温度和溶解氧浓度密切相关。也有研究发现，提高压力和增大雷诺数可以有效抑制氧化结焦，但雷诺数过高可能导致层流边界层的破碎，从而抑制沉积过程。其他学者则对壁面材料、添加剂和表面处理等因素对热氧化结焦的影响进行了实验研究，并提出了相应的抑制方法。

尽管实验研究在揭示热氧化沉积现象方面具有重要价值，但实验过程通常需要数十小时，且结果容易受到外部因素的干扰，这使得深入研究热氧化反应的微观机制和反应路径变得困难。此外，使用高温航空燃料进行实验存在一定的安全隐患。为了解决这些问题，研究人员开始将实验结果与数值分析相结合，利用实验提供关键的验证数据，而数值模拟则能够揭示热氧化沉积的机制。这一方法使得建立一个伪详细的氧化沉积动力学模型成为可能。最早提出反应动力学模型的是Giovanetti等人，他们将含氧物质视为沉积前体，并引入了开创性的两步反应机制，为后续研究奠定了基础。在此基础上，Foder等人提出了基于Giovanetti研究的八步伪详细氧化结焦动力学模型，而Katta等人则提出了九步模型，进一步补充了沉积过程中的整体和壁面反应。在航空燃料的生产与运输过程中，溶解的金属不可避免地进入燃料中，这些金属对热氧化沉积过程产生影响，尤其是在脱氢和分解反应方面。因此，Kuprowicz等人考虑了溶解金属的影响，提出了包含16步反应的伪详细结焦动力学模型。同样，硫化物和氮化物也被发现可以促进热氧化沉积过程。在研究了溶解金属和硫化物的影响后，学者们开始探索添加抗氧化剂以抑制氧化沉积并提高燃料热稳定性的策略。Jones等人研究了向航空燃料中添加酚类化合物的效果，发现这些化合物参与了沉积反应。为了进一步分析酚类化合物对氧化沉积的影响，Sander等人利用JFTOT（Jet Fuel Thermal Oxidation Tester）对燃料进行了热稳定性测试，并基于实验结果建立了包含19步反应的反应动力学模型。在Sander的研究基础上，Liu等人发现受阻酚类化合物能够提高燃料的热氧化稳定性并抑制焦炭的形成，而非酚类化合物则会促进沉积过程，因此他们在Sander的模型中增加了三条沉积路径。为了降低数值模拟的计算成本，Pei等人结合了数值模拟技术与自身的实验结果，建立了一个包含六步反应的简化模型。该模型不仅能够准确预测沉积物的分布和氧气的消耗，还创新性地考虑了温度梯度的影响。在最新的研究中，Yuan等人总结了Pei等人的工作，并提出了一个包含35步反应的伪详细反应动力学模型，其中包括五条沉积路径。通过学者们对热氧化沉积过程的持续研究，航空燃料的伪详细反应动力学模型已经相对成熟。

目前，关于航空燃料热氧化沉积的实验研究主要集中在圆形管道中，而数值模拟则大多基于二维和稳态条件。二维模型在研究复杂的三维流动现象时存在局限性，例如湍流特性、扩散现象和质量传递等，这导致模拟结果与实验结果之间存在较大偏差。在实际的圆形管道中，由于入口扰动和局部不均匀加热，燃料流动可能会产生二次流动和流动分离现象。三维模型能够预测因这些现象导致的环向非均匀沉积厚度分布，而二维模型则只能预测环向均匀的结果。此外，稳态计算忽略了实际应用中焦炭随时间逐渐增厚的现象，其局限性在于无法捕捉冷却通道中瞬态变化的特征，包括焦炭生长对流体行为、热传递、化学反应和沉积速率的影响。瞬态模拟能够更真实地模拟沉积物的动态生长过程及其影响，包括因沉积物增厚导致的流动截面积减小、流速增加、压降增大、热传递增强以及最终对沉积速率的影响，从而预测局部堵塞的发生时间和位置。

为了克服上述局限性，航空燃料热氧化沉积的研究需要转向三维瞬态计算。然而，实现这一目标的关键挑战在于如何准确模拟因焦炭沉积逐渐增长而引起的流体域几何变化。动态网格技术是一种先进的计算流体力学（CFD）计算方法，允许网格节点根据边界上的物理量进行移动，因此非常适合用于模拟管道中的结垢问题，如之前的研究中所应用的那样。在三维模型中，动态网格技术仍处于初级阶段，因此将其应用于航空燃料热氧化沉积的瞬态模拟在工程实践中具有重要的意义。动态网格技术能够解决冷却通道中因沉积物增长而导致的流动、热传递和组分传递的变化问题，并将计算结果与焦炭层的生长过程进行耦合。在本研究中，动态网格技术与伪详细反应动力学模型相结合，用于模拟流场、温度场和沉积表面的时序演变，从而为氧化结焦过程提供了新的研究视角。

此外，已有研究表明，变截面通道会导致湍流强度、边界层厚度和流动阻力的变化，从而改变流体速度和温度场的分布，与直通通道相比，这些变化可能对热氧化沉积产生不同影响。因此，研究航空燃料在变截面通道中的热氧化特性，有助于优化复杂冷却通道的设计，以提高热传递效率。基于这一背景，本研究开发了一个三维数值模型，结合动态网格技术，并采用了一个包含24种组分和19步反应的伪详细热氧化结焦动力学模型。通过对直通、收敛和发散三种不同截面通道进行200小时的瞬态模拟，分析了不同通道类型对流体行为、热传递和焦炭沉积过程的影响。

在本研究中，通过建立三维冷却通道的物理模型，可以更准确地模拟实际应用中的复杂流动情况。模型包括发散通道、直通通道和收敛通道，其中入口内径分别为1.5mm、2.0mm和2.5mm，出口内径分别为2.5mm、2.0mm和1.5mm。外径为3mm，加热段长度为1000mm。在加热段前后各设置150mm的入口和出口段，以减少边界效应对模拟结果的影响。通过动态网格技术，模拟过程中可以实时调整网格结构，以适应焦炭沉积引起的通道几何变化。这不仅提高了模拟的准确性，还增强了对瞬态过程的捕捉能力。

在热氧化沉积行为的分析中，研究了不同通道类型在加热过程中的沉积厚度分布和变化情况。通过伪详细反应动力学模型，可以预测焦炭沉积的速率和位置。模型中，不溶性物质（Insolubles_AH，简称IN）通过反应R19沉积在通道内壁表面。沉积速率遵循阿伦尼乌斯方程，因此模拟过程中需要考虑温度对反应速率的影响。在模拟过程中，通过设置不同的通道形状，可以观察到不同条件下热氧化沉积的差异。例如，在发散通道中，沉积过程受到入口段流体流动特性的影响，导致沉积厚度在通道出口处达到峰值。而在收敛通道中，由于前半段温度较高，氧化和沉积反应在靠近入口处开始，从而使得沉积厚度在通道出口处达到较高的值。

研究结果表明，在200小时的加热过程中，发散通道的出口对流传热系数下降了17.70%，而压降增加了5.77%，沉积厚度峰值达到了121.05μm。相比之下，收敛通道的出口对流传热系数增加了34.27%，压降上升了70.87%，沉积厚度峰值为97.13μm。这些结果表明，不同通道形状对热氧化沉积过程具有显著影响。直通通道的沉积行为相对均匀，而发散和收敛通道由于流体流动的不均匀性，导致沉积厚度在不同位置出现差异。发散通道中，由于流体在通道中逐渐扩散，导致温度分布不均，从而影响沉积速率。而收敛通道中，流体在入口段受到高温影响，促使氧化和沉积反应在靠近入口处快速发生，导致沉积厚度在出口处达到较高值。

通过本研究的模拟结果，可以更全面地理解航空燃料在不同冷却通道中的热氧化沉积行为。这不仅有助于优化冷却通道的设计，提高热传递效率，还能为防止焦炭沉积提供理论依据。同时，本研究的结果也为工程实践中解决冷却通道堵塞问题提供了参考。在实际应用中，焦炭沉积不仅会影响热传递效率，还可能引发流动阻力增加、压降上升以及局部堵塞等问题。因此，通过三维瞬态模拟，可以更准确地预测这些现象的发生时间和位置，从而为设计和维护提供指导。

本研究采用的伪详细反应动力学模型能够有效描述热氧化沉积的化学过程，包括氧化反应、自由基链式反应以及沉积物的形成。通过结合动态网格技术，模拟过程能够动态调整通道几何结构，以反映焦炭沉积引起的物理变化。这一方法不仅提高了模拟的准确性，还增强了对瞬态过程的捕捉能力。在模拟过程中，研究了不同通道类型对流体行为、热传递和沉积速率的影响，从而揭示了不同通道形状在热氧化沉积过程中的作用机制。

综上所述，本研究通过建立三维数值模型，结合动态网格技术和伪详细反应动力学模型，对航空燃料在不同冷却通道中的热氧化沉积行为进行了系统分析。研究结果表明，不同通道形状对沉积厚度、对流传热系数和压降等参数具有显著影响。直通通道的沉积行为相对均匀，而发散和收敛通道由于流体流动的不均匀性，导致沉积厚度在不同位置出现差异。此外，研究还揭示了焦炭沉积对流体行为和热传递的影响，为实际工程中的冷却通道设计和维护提供了理论支持。通过本研究，可以更深入地理解航空燃料在不同条件下的热氧化沉积过程，为开发更有效的热管理技术奠定基础。