基于分形翅片固定床管式反应器的氨分解效率优化研究：CFD与RSM耦合方法

为解决固定床反应器中氨分解效率低、传热不均等问题，研究人员采用计算流体力学(CFD)与响应面法(RSM)耦合方法，优化了分形翅片反应器的操作条件。研究表明，分形翅片设计使NH3转化率提升至72%，H2摩尔分数达0.54，同时揭示了入口温度与流速对反应效率的关键影响，为氢能存储系统设计提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零排放特性成为绿色燃料的重要选择，而氨(NH₃)作为氢载体具有储运便捷的优势。然而，固定床反应器中氨分解面临传热效率低、催化剂导热性差导致的温度分布不均等挑战，严重制约氢能转化效率。传统翅片结构虽能提升传热，却伴随压降剧增的弊端。

针对这一难题，新南威尔士大学的研究团队创新性地提出分形翅片结构，通过耦合计算流体力学(CFD)与响应面法(RSM)，系统优化反应器操作参数。研究发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，揭示了分形结构对反应动力学的调控机制。

研究采用有限体积法(ANSYS-FLUENT)模拟流动场，结合实验设计(DOE)筛选15组参数组合，以H₂摩尔分数和压降为目标函数。通过遗传算法(GA)优化发现：当入口温度494°C、壁温599°C、流速0.36 m/s时，分形翅片反应器的NH₃转化率达73%，较传统翅片和光滑反应器分别提升7.4%和23.7%，且压降增幅控制在67%。

关键结果

1. 流动特性分析：分形翅片通过增强流体扰动，使反应区体积平均温度提升88°C，温度均匀性指数(TUI)达0.98，有效消除"冷点"现象。
2. 敏感性验证：入口温度与流速对H₂产量的影响系数分别为+0.4和-0.4，壁温影响较弱(0.2)，证实预热NH₃比提高壁温更有效。
3. 时间尺度优化：分形结构使特征反应时间缩短62%至0.029秒，佩克莱特数(Peclet)提升37%，强化了对流主导的传质过程。

讨论与意义
该研究首次将分形几何引入固定床反应器设计，通过多尺度流道优化解决了传热与压降的权衡难题。分形翅片使反应器在30 kPa压降约束下，H₂产量提升23.7%，其核心机制在于：

1. 分形路径降低滞止压力，促进反应物深入翅片区域；
2. 增加的有效表面积加速热量向催化剂床层传递；
3. 温度均匀性改善使Ru/Al₂O₃催化剂活性提升。

这项研究为氢能存储系统的紧凑化设计提供了新范式，其CFD-RSM-GA的多方法耦合框架也可推广至其他气固相反应器优化领域。未来研究可进一步探索分形结构的几何参数与催化剂分布的协同优化。