航天推进用高密度液体碳氢燃料:合成与应用

高密度燃料已成为重要的航天推进液体燃料。简要介绍了国外高密度燃料的合成进展,包括JP-10,T-10,RJ-5,RJ-7等;重点介绍了天津大学的燃料研究进展,包括HD-01、密度大于1g/ml的燃料、四环庚烷、金刚烃燃料、生物质高密度燃料等,并报道了四环庚烷的自燃特性。为解决超声速飞行条件下燃料的点火及主动冷却问题,制备了油溶性纳米Pd和Pt颗粒添加剂,分别降低了JP-10的点火温度,提高了JP-10的裂解热沉。     

冷却通道预氧化处理抑制碳氢燃料热裂解结焦的研究

主动冷却超燃冲压发动机用吸热碳氢燃料应用过程中不可避免产生裂解结焦,这是制约燃料热沉能力和过程可靠性的重要因素。冷却通道表面进行预处理,是减少裂解结焦的重要途径之一。系统研究了预氧化321不锈钢管(Φ3 mm×0.5 mm)的元素迁移和微观结构。利用超临界航空煤油RP-3的热裂解反应为探针,研究预氧化处理对结焦的影响。实验发现,高温氧化后(900℃),管表面形成一层致密的Cr2O3膜,能减少碳沉积,几乎不生成纤维碳;较低温(600~800℃)氧化时,虽然Cr元素不断向金属表面迁移,Fe,Ni元素向金属内部迁移,但同时产生了大量空缺位提供渗碳通道,最终导致结焦量高于空管。     

吸热型碳氢燃料冷却模拟系统的建立

介绍了一套自行设计的燃料冷却模拟系统,该装置适用于模拟研究各种吸热型碳氢燃料在飞行器上不同冷却模式下的冷却特性, 为燃料将来在飞行器上的工程应用提供实验依据。仪器空白漏热标定结果表明其稳定性良好。在此装置上研究了吸热燃料在两种压力下的冷却情况, 实验发现在通燃料后, 反应管温度下降最低可达９０．６℃, 冷却效果较好; 随着外部热环境的变化, 反应管不同部位的吸热情况发生复杂变化, 尾部出现结焦; 燃料热沉测量值与文献值接近。     

矩形冷却槽道内煤油热裂解过程数值研究

高马赫数下超燃冲压发动机煤油再生冷却过程中易发生热裂解反应导致结焦,因此有必要在冷却通道中开展热裂解过程研究。基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应,对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了三维数值模拟研究,将固壁的传热和槽道内流动反应进行耦合计算,与三种不同热流密度的实验工况对比。结果表明,在热裂解反应发生以前,两相流模型的温度分布和实验数据吻合得很好,但随着燃油温度升高到450℃,燃料开始发生复杂的化学反应,两者开始出现偏离,温度越高,偏离越大。在引入热裂解反应模型之后,高温区域的温度显著降低,和实验结果吻合。热流密度越大,裂解反应率加剧,煤油反应转化率增大。煤油在弯折冷却通道中温度分布不对称。     

超临界压力下正癸烷在多孔介质中结焦实验研究

发散冷却是高超声速飞行器热部件防护的关键技术之一。为了研究碳氢燃料结焦性对其作为冷却流体在发散冷却技术中安全性的影响,对超临界压力下正癸烷在烧结青铜球形颗粒多孔介质中的结焦特性进行实验研究,获得了正癸烷在压力3MPa,温度350~638℃和质量流量2~4kg/h下的焦碳表面沉积规律。研究表明:温度是正癸烷在多孔介质中结焦产物生成的主导因素,并发现正癸烷存在热氧化结焦与热裂解结焦两种结焦行为,导致其焦碳表面沉积速率呈现双峰结构。一定温度下,质量流量决定正癸烷在流道中驻留时间,热氧化结焦受驻留时间与溶解氧浓度两个因素制约,焦碳表面沉积速率随质量流量增加先增大后减小;热裂解结焦则只受到驻留时间的影响,焦碳表面沉积速率随质量流量增大而单调减小。     

S型管内超临界航空煤油的裂解与结焦研究

再生主动冷却是超燃冲压发动机热防护的关键技术之一。为了探究冷却通道中弯管结构产生的二次流对碳氢燃料裂解与结焦特性的影响,使用S型圆管实验段进行了RP-3航空煤油超临界裂解结焦实验。重点考察了沿程壁温、产气率、气相产物分布以及S型管结焦沿程分布特征。实验结果表明：由于S型管的结构特点,沿程壁温和结焦分布均呈现出与直管相迥异的特征。在两个弯道区域,离心力产生的二次流加剧湍流混合,强化了局部换热,导致壁温下降。结焦率在弯道结构处出现小幅度局部峰值,在出口温度为700℃时,第二个弯道处平均结焦率比中间直管段提高了101%~170%。这可能与弯道处对应的局部高温、输运作用增强和局部摩擦阻力的增大三者综合作用有关。此外,还发现S型管产气率比直管更高,在出口温度为700℃时提高了10.2%~14.9%。可能是弯管处内侧壁面附近的燃料受局部高温影响,裂解反应加剧,产气率增加。而S型管的特殊结构对裂解的反应路径无明显影响,因此气相产物分布与直管并无明显差异。     

一种高密度碳氢燃料替代模型及其热物性分析

针对一种应用于高超声速飞行器再生冷却的高密度碳氢燃料，提出适用于其超临界态流动及换热特性研究的替代燃料模型。基于实验获得的碳氢燃料高温裂解的产物组分及现有航空煤油替代模型，提出三组分替代模型，以多物性参数分子摩尔质量、密度、运动黏度、比热容和导热系数为遴选指标，通过多目标优化寻出一种替代燃料模型(71.1%反式十氢化萘、19.4%正十二烷、9.5%正十三烷)。基于碳氢化合物的混合热物性参数数据库(NIST SUPERTRAPP)，通过二次开发对替代燃料模型的超临界态热物性进行预测和分析，发现在临界压力2.8MPa，临界温度700K附近，该种碳氢燃料的热物性参数变化最明显，并且随着压力的升高，变化逐渐变小。     

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

超临界压力下湍流区碳氢燃料传热研究

碳氢燃料的传热特性对于再生冷却超燃发动机的传热设计至关重要.采用电热管开展了正十烷的传热特性实验,燃料压力约4.0MPa.利用一维流动的质量和能量守恒关系,对管道内燃料的传热进行了分析.采用多元线性回归的方法获得了正十烷在湍流区的传热关联式,通过外壁温的计算与测量的对比,验证了实验获得的湍流传热关联式的适用性.     

流动方式对航空煤油RP-3结焦的影响

实验研究了航空煤油RP-3在不同流动方式下的结焦分布情况.实验中采用恒定热流的方式将流经单通道不锈钢管中的溶解氧饱和的航空煤油由127℃加热到427℃,系统压力5MPa,质量通量780kg/(m2·s),并利用“称质法”获得煤油结焦数据.实验结果表明,不同流动方式下,结焦速率随着温度升高先增大后减小,存在峰值区域;虽然结焦速率峰值点出现对应的外壁温不同,但是结焦速率分布曲线相似,呈现单波峰形态;结焦总量大体相当;重力的影响体现在结交峰值位置的偏移上.      

吸热型碳氢燃料与高温合金相容性研究

论证了吸热型碳氢燃料与高温合金相容性研究过程,设计了燃油与高温合金联合加热装置,测试了非钝化和钝化状态的GH625试件和GH3128试件在壁温为500~850℃时、经过燃油压力为3.5MPa、燃油温度为450~500℃、流速为1~5m/s浸渍后的力学性能和金相组织.试验结果表明:在燃料温度为500℃、试件温度为850℃时,GH3128试件结焦量少于GH625试件,GH3128试件的塑性应力下降40%、GH625试件的塑性应力下降60%.燃油浸渍时高温合金钝化后结焦量明显减少.      

碳氢燃料变压力过程中传热研究

碳氢燃料广泛应用于再生冷却技术中,为了研究其在不同压力下和压力变化过程中的传热规律,使用内径1mm圆管进行了变压力过程实验。试验参数:冷态流量1g/s,流体出口温度500℃,压力1~4MPa。在不同压力稳态的传热试验中发现了两种类型的传热恶化:亚临界下的膜态沸腾和超临界时的入口层流化。研究了变压力时的传热特性,重点分析了不同换热区域的外壁温动态变化,发现了变压力过程中的壁温非单调特性,在超临界压力下动态变化时的传热弱于稳态的传热。实验中还研究了三种不同升压速率对换热的影响,结果显示压力变化速率对传热影响不大。     

超临界态碳氢燃料流固耦合传热及热裂解的计算方法研究

为深入研究主动再生冷却机理,采用固体热传导方程和流体控制方程,建立了超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解的数值方法。对两种实验状态下电加热管内RP-3航空煤油的耦合传热及热裂解过程进行了计算研究,其中RP-3的热裂解反应由包含1个总体反应和23个二次反应的Modified Kumar-Kunzru反应机理模拟。两种状态下计算得到的外壁温、燃料温度、RP-3裂解率以及裂解产物分布与测量值的最大误差分别小于10%和15%。计算与实验结果吻合较好,表明建立的数值方法是准确的,可以作为研究超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解特性的有效计算分析工具。     

流阻对200N单推-3发动机热试车工作特性的影响

管道及阀门内部流阻会显著影响发动机工作性能。为探究不同管路流阻大小下200N单推-3发动机工作特性，开展了光管和波纹管两种管路200N发动机热试车试验研究。结果表明：大流阻工况喷前压下降约42.8%。热试车前后喷前压振荡剧烈，不利于发动机平稳工作。管路流阻显著影响脉冲燃压，小流阻脉冲燃压建立约2.5MPa，大流阻脉冲工作燃压建立约1MPa，远低于前者；管路流阻显著影响阀门启动特性，大流阻状态下，阀门启动时间(T₈₀)约为小流阻状态的3.93～5.28倍，管路流阻对阀门电流影响很小；小流阻状态下脉冲冲量显著大于大流阻状态下的脉冲冲量，约为后者1.5～2.1倍。     

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa,温度约335～870K,流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

超临界RP-3管内换热特性实验

实验研究了超临界RP-3管内换热特性。实验段为2100mm长、外径2.2mm,内径1.8mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti)。RP-3在5MPa压力下流经该实验管,采用近似等热流加热方式将其从127℃加热至427℃。通过测量0min,20min,30min,45min和60min时管外壁和流体温度得到管内对流换热系数hin沿流向分布、结焦对管内传热系数Kin影响。研究结果表明:在远离临界点的亚临界区域,hin随着RP-3温度上升逐渐增大;在近临界区管内对流换热系数迅速增加;而进入超临界区域后,hin保持在1.8×104W/(m·℃)附近;结焦对管内传热影响显著,Kin随结焦增多逐渐降低,而降幅逐渐减小。     

基于卷积神经网络双层壁三维热应力预测方法

为实现三维物理场的预测，提出一种利用卷积神经网络（CNN）对双层壁冷却结构外壁三维热应力快速评估方法。针对双层壁冷却结构外壁平板状的结构特征，沿壁厚方向将温度场切分为多个切片。将温度作为卷积网络输入张量的基本元素，不同厚度位置的切片对应输入张量的通道维度，从而实现将三维温度场输入进网络，并输出在热载荷作用下的三维等效应力场。结果表明：训练收敛后的网络在测试集上的平均绝对误差为1.23 MPa，平均相对误差为15.10%，对峰值应力的平均绝对误差为16.10 MPa，平均相对误差为11.81%。对于双层壁冷却结构的热应力预测问题，CNN能够很好地完成温度到应力的映射。使用深度学习方法探究热弹性问题的潜在机理有望实现。     

考虑煤油裂解效应的超声速燃烧室再生冷却过程分析

为了分析宽马赫数飞行条件下超声速燃烧室再生冷却性能以及考虑燃料高温裂解效应对冷却的影响,发展了具有一定通用性的超声速燃烧室再生冷却系统气-固-液传热分析模型,对燃烧室内流、冷却剂流动以及冷却结构进行了气-固-液传热耦合计算.燃烧室内流计算模型无需实验测量的静压数据以及总温/释热分布假设,通过直接求解质量、动量、能量守恒微分方程并结合燃料混合及燃烧模型来获得内流参数分布.同时对燃烧室壁面传热进行了计算,将冷却结构内冷却剂的流动、换热与燃烧室内流耦合,并且着重考虑了煤油作为冷却剂,其物态随温度、压力变化以及高温时出现的热/催化裂解吸热化学反应.基于实验数据发展了煤油热/催化裂解总包反应模型,对煤油热裂解和催化裂解两种过程的化学吸热性能进行了对比,研究了热/催化裂解效应对再生冷却的影响.     

高能合成煤油GN-1性能研究

为了获得高能合成煤油（GN-1煤油）物化性能随温度和压力的变化规律,掌握GN-1煤油与现役火箭煤油在应用特性方面的差异,采用理论计算和实验方法,对GN-1煤油在物化性能（密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力）变化规律、安全特性（闪点、自燃温度、燃点、爆炸极限、毒性）、流动传热与结焦特性以及点火延迟特性进行了研究,并与火箭煤油进行了对比。通过实验研究得到了最高温度不超过200℃,最高压力不超过25MPa下GN-1煤油的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力实验数据,结合理论计算,获得了GN-1煤油在-40~350℃,0.1~60MPa内热物性变化规律,并与火箭煤油进行了对比。此外,研究结果还表明：GN-1煤油的闪点为40℃（低于火箭煤油闪点74℃）,自燃温度为305℃（高于火箭煤油自燃温度225℃）,燃点为47℃（低于火箭煤油燃点82℃）,爆炸极限为0.44%～2.9%（40℃）,GN-1煤油和火箭煤油急性经口毒性LD₅₀＞5000mg/kg。在入口压力10MPa,流速10m/s,内壁温480℃条件下,GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%。在采用GH3128高温合金管条件下,GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍,GN-1煤油316L不锈钢管路中试验段平均结焦速率为GH3128高温合金管路中的22.3%。在970～1105K内,GN-1煤油的点火延迟时间为火箭煤油的55.6%～69.3%。     

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。