超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内换热特性

以国产航空煤油RP-3为对象研究了超临界压力下热流密度和进口温度对碳氢燃料在竖直向上管和竖直向下管的换热特性的影响.实验中热流密度变化范围为300~600kW/m2,进口温度变化范围为293~723K,压力及流量分别保持为5MPa以及3g/s.研究表明:在所有实验工况下,实验进口处将首先出现换热恶化现象,之后随着热边界层的充分发展换热逐渐增强;当管内流体状态从超临界压力液态过渡到超临界状态,由于物性的显著变化将导致换热沿管程方向得到显著强化.当进口油温超过其拟临界温度后,由于碳氢燃料吸热能力迅速降低导致管内出现了换热恶化.对于竖直向上流与竖直向下流,即使浮升力判断因子的值小于10-5,浮升力的影响仍然不能忽略.最后,在实验结果基础上,提出了超临界压力碳氢燃料在微细管内流动的强迫对流换热经验关系式.      

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性，基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算，湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较，热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理，讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因；提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施；提出了换热恶化预测关联式，为主动再生冷却技术提供参考。      

超临界压力正癸烷在竖直圆管内的流动阻力实验

研究了加热条件下超临界压力下正癸烷在竖直细圆管内的流动阻力特性,分析了热流密度、系统压力以及进口温度对摩擦压降的影响规律。实验结果表明:当流体温度较低时,流体摩擦压降随着热流密度的升高而逐渐降低;当流体温度逐渐接近拟临界温度时,由于物性的剧烈变化,流体摩擦阻力压降随着热流密度的升高而增加。并且系统压力越低,拟临界点附近的变化就越剧烈。当流体温度高于拟临界温度时,物性变化趋于平稳,流体摩擦压降随热流密度升高而增加。基于实验结果,总结出了一种针对不同温度、不同热流密度与质量流速比值范围的摩擦阻力系数经验关系式。      

压力对水平管内超临界碳氢燃料流动换热影响实验

通过实验装置研究了系统压力对水平管内超临界碳氢燃料RP-3流动换热特性的影响规律,并对管内燃油径向热物性变化、浮升力以及热加速对流动换热特性的作用机理进行了分析.结果表明:管内燃油表面传热系数随主流温度升高而增大,不同系统压力下,燃油在相同无量纲温度点热物性变化速率的不同导致了表面传热系数和Nu_x峰值的差异;燃油主流温度与内壁温度之间的差异而导致的热物性差别是造成管内换热规律变化的主要原因,浮升力和热加速作用对换热特性的影响可以忽略;无量纲参数Gr_q/Gr_th可以更好地反映超临界压力碳氢燃料RP-3在水平管内的沿程流动换热特性变化规律.      

热裂解对超临界RP-3流动和耦合传热影响的数值模拟研究

为深入理解再生冷却过程中裂解反应对碳氢燃料流动换热产生的影响,采用包含18组分和24步分子反应的RP-3裂解模型,对超临界压力下RP-3在底面加热的方通道内的流动换热和裂解过程开展了三维数值模拟研究。压力范围4~6MPa,加热面热流密度2.4~3.6MW/m~2条件下的计算结果表明:在高温区域内剧烈进行的裂解反应会造成流体的进一步加速,导致沿程压降急剧增加,并且这一现象在4MPa时更为明显。在各流固交界面处,热流密度呈现不同的沿程变化规律。裂解反应使下壁面处的对流换热得到更大程度的强化,从而使下流固交界面的热流密度增加约0.5 MW/m~2。同时,在裂解吸热和传热强化的共同作用下,裂解反应使各流固交界面的壁温最多降低150K。     

二氧化碳在RP-3航空燃油中溶解度实验测定

以国产实际使用并含有添加剂的RP-3号燃油为研究对象，测量了燃油在不同温度下的密度，搭建了压力降落法实验装置，测定了5~40℃温度及3组不同压力范围下，CO2在RP-3号燃油中的溶解度，采用ASTM D2780-92标准中提供的相对密度法对溶解度进行了计算并与实验值进行了比较.结果显示:计算值与实验值有很大偏差，且随着温度上升及压力下降，该偏差增加，最大相对偏差可达到106%.根据实验值，对ASTM D2780-92中的阿斯特瓦尔德系数计算公式进行了线性修正，修正后计算的溶解度和实验值误差在10%之内.该研究结果可为绿色惰化的设计提供参考依据.      

吸热型碳氢燃料RP-3替代模型研究

利用广义对应态法则对吸热型碳氢燃料RP-3的5种替代模型的密度、黏度、导热系数和比定压热容进行了数值计算.计算温度变化范围为300~800K,压力变化范围为3~6MPa.结果表明:不同替代模型均能定性重现RP-3在拟临界温度附近的物性急剧变化;由53%正十一烷,18%正丁基环己烷,29%1,3,5-三甲基苯组成的3组分替代模型在预测RP-3物性上表现最优,相对于实验数据,300~700K内密度相对误差均小于0.08;替代模型的相对分子质量越大,预测的拟临界温度越高,对拟临界温度下物性值的影响无显著规律.      

考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究

 在考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的情况下,开展了低温甲烷在矩形冷却通道中的超临界压力湍流换热数值模拟研究;仔细分析了热流密度及管道几何形状对低温甲烷超临界压力下的流动和传热的影响;得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。计算结果表明:在考虑流固耦合作用时,上壁面施加的热流有一部分会通过固体壁面内的热传导,经由侧壁面传入超临界压力流体,并且随着热流密度的增加,经侧壁面传导的热流所占的比例也会随之增大;减小冷却通道内截面的高宽比,可以提高超临界压力下的换热效果,但流动压降会大大增加,因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响,可以引入热性能参数作为参考;修正的Jackson&;Hall对流换热关系式基本可以适用于本文中的各种工况。     

超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究

为了深入理解超燃冲压发动机再生冷却系统中碳氢燃料的流动传热规律,对竖直上升圆管内RP-3航空煤油的超临界对流换热做了实验研究。详细探讨了质量流速、热流密度、压力等对管壁温度和换热系数分布的影响,并拟合得到了过渡区和湍流区的对流换热经验关系式。结果表明:近临界和较高压力下的换热呈现出迥异的特征。在近临界压力过渡区的高进口过冷度工况,近壁流体密度和黏度的综合作用引起了热声振荡现象,使换热显著增强;而主流温度处于拟临界温度附近时却出现了由近壁流体体积急剧膨胀导致的传热恶化现象。在高压力下,过渡区热声振荡和湍流区传热恶化都不会出现,但低质量流速时强浮升力使过渡区进口段出现了严重的壁温飞升现象。新关系式具有良好的适用性,预测值与实验值的相对误差在20%以内。     

竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应

利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究,湍流模化采用Launder-Sharma（LS）低雷诺数模型,物性采用广义对应态法则对RP-3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3 MPa,进口温度为573 K,热流密度为500 kW/m²,质量流量为0.001 5和0.003 0 kg/s,直径范围为1~10 mm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合,证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大,换热恶化程度更高且更提前发生,换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的,大质量流量时直径与壁温成正比,无换热恶化发生;浮升力效应仅在小质量流量下起作用,随着直径增大而加强,给出RP-3流动换热时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。     

超临界压力下航空煤油在并联管中流量分配特性

研究了超临界压力下国产航空煤油RP-3在竖直并联U型管中的流量分配特性,分析了工质温度、系统压力以及加热热流密度不对称性对流量分配特性的影响规律.其中实验段内、外径分别为1.8mm和2.2mm, 实验中质量流量保持为4g/s,系统压力变化范围为3~5MPa,热流密度变化范围为q=60~240kW/m2. 实验结果表明:较低系统压力下,等热流密度加热至管路油温达到拟临界温度附近时会诱发支管流量的较大变化,从而导致并联管系统各支路流量的重新分配;加热不均对支路流量的影响非常显著;另外,提高系统压力可以有效抑制并联管系统中各支路流量分配失衡,增强系统的稳定性.      

Frictional resistance of supercritical pressure RP-3 flowing in a vertically downward tube at constant heat fluxes

Based on the demands of compact heat exchangers and micro cooling channels applied for aviation thermal protection, the flow resistance characteristics of aviation kerosene RP-3 were experimentally studied in a vertically downward circular miniature tube with an inner diameter of 1.86 mm at supercritical pressures and constant heat fluxes. A long and short tube method was used to accurately calculate the frictional pressure drop, and experimental conditions are supercritical pressures of 4 MPa, mass flow rates of 2–4 g/s (i.e., mass fluxes of 736–1472 kg/(m²?s)), heat fluxes of 100–500 kW/m², and inlet temperatures of 373–673 K. Results show that the sharp variations of thermophysical properties, especially density, have significant influences on frictional resistances. Generally, the frictional pressure drop and the friction factor increase with increasing inlet temperatures, and this trend speeds up in the relatively high-temperature region. However, the friction factor has a sudden decline when the fuel outlet temperature exceeds the pseudo-critical temperature. The frictional pressure drop and the friction factor basically remain unchanged with increasing heat flux when the inlet temperature is relatively low, but increase quickly when the inlet temperature is relatively high. Besides, a larger mass flux yields a higher pressure drop but does not necessarily yield a higher friction factor. Finally, an empirical friction factor correlation is proposed and shows better predictive performance than those of previous models.     

RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性

为了获得一种新的国产RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性,在化学激波管中完成了初始压力分别为0.1MPa与0.3MPa,当量比分别为0.5,1.0与1.5,着火温度为1000~1700K条件下该模拟替代燃料着火延迟时间的试验测试,分析了初始压力与当量比对该模拟替代燃料着火延迟时间的影响规律,并与相应工况条件下RP-3航空煤油的着火延迟特性进行了对比分析。结果表明,不同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系;其着火延迟时间随当量比的降低或着火温度、初始压力的升高逐渐缩短;相同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间与RP-3航空煤油的着火延迟时间吻合较好。     

超临界RP-3航空煤油喷嘴内部流动与相变特性研究

未来航空燃气轮机采用燃油作为冷却剂,对发动机冷却空气及热端部件进行冷却,使得燃油在进入燃烧室之前超过其热力学临界点,燃油的热力学性质发生巨大变化,将对燃油在喷嘴内的流动和喷嘴下游的喷射掺混过程产生重要的影响,因此有必要对超临界RP-3在喷嘴内的流动与相变特性展开研究。本文采用自主设计的喷嘴内部收缩通道模拟试验件,对超临界RP-3在喷嘴内的沿程压力分布进行测量,并采用基于一维等熵假设的计算方法进行数值模拟。试验首次获得了超临界航空煤油RP-3在喷嘴收缩通道内的沿程静压分布随喷射压力、温度变化的规律。通过与模型对比,发现未发生相变时,计算结果与试验值拟合精度较高,可以较好地预测RP-3在喷嘴内的流动参数,喷嘴内的静压分布也趋于一致;发生冷凝相变时,计算结果与试验值产生误差较大,喷射参数对于静压分布存在着较大的影响。本文试验获得的超临界RP-3航空煤油在喷嘴内的流动与相变特性,为航空发动机超临界RP-3喷射的喷嘴设计提供了重要的设计依据。     

RP-3航空煤油模拟替代燃料燃烧特性的实验

在定容弹中实验测试了初始压力分别为0.1、0.3 MPa、初始温度分别为390、400、420 K、当量比范围为0.8～1.5时RP-3航空煤油模拟替代燃料的层流燃烧特性,并对比分析了模拟替代燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速率。结果表明,模拟替代燃料层流燃烧火焰的马克斯坦长度随初始压力或当量比的降低逐渐增大,表明火焰稳定性逐步增强；初始温度对火焰稳定性的影响不明显；随初始温度的升高或初始压力的降低,模拟替代燃料的层流燃烧速率逐渐升高；随着当量比的逐渐增大,模拟替代燃料的层流燃烧速率先增大后降低,在当量比为1.2时达到最大；在相同工况下,模拟替代燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速率吻合较好。      

温度对飞机燃油射流泵工作特性影响

建立了射流泵数学模型,采用数值计算方法对其工作特性进行了模拟,搭建了实验台,采用RP-3燃油,通过实验数据验证了模型的正确性.在此基础上,分别选择了RP-3和JET-A两种燃油,计算了从-40℃~40℃温度下,不同操作压力对射流泵流量比的影响.结果表明:燃油温度高于0℃时,温度对射流泵工作特性影响并不明显,随着温度的降低,射流泵性能与标准温度下（20℃）偏差越来越大,且压比越高此偏差越明显.当温度高于0℃时,采用RP-3和JET-A燃油性能相差不大,RP-3燃油性能略优于JET-A燃油,但是在低温下,RP-3燃油性能远高于JET-A燃油.因此当燃油温度较低且压比较高时,必须充分考虑温度对射流泵特性的影响.      

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应详细机理

在化学激波管中对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间.根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由体积分数分别为0.65,0.1,0.25的正癸烷、甲苯与丙基环己烷3种组分组成的模拟替代燃料,并形成了该模拟替代燃料的化学反应详细机理.采用该化学反应详细机理对该模拟替代燃料在化学激波管中多工况下的着火特性进行了数值计算,并与实验数据进行了对比分析.结果表明:在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,并且随着火温度与压力的升高以及当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该化学反应机理计算得到的该模拟替代燃料着火延迟时间与RP-3航空煤油着火延迟时间的实验值吻合良好.