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.      

航空煤油替代燃料模型热物性

研究基于国产航空煤油RP-3液相组分数据,提出了单组分、简化3组分和详细13组分3种替代燃料模型,并对采用3组分替代模型计算得到的燃料密度、黏度、导热率、比热容4个热物性参数进行了在不同温度(300~1000K)和压力(1~15MPa)状态下的分析.结果表明,燃料的物性在超临界压力下,随着温度升高,密度减小,黏性降低,热导率则先降后增,而比热容逐渐增大,同时,在拟临界温度附近,燃料热物性均发生变化剧烈,比热容在不同压力下对应不同峰值点,在3MPa下最大;压力的变化会使得拟临界温度发生改变,给密度的变化程度、比热容的峰值分布和热导率的大小带来一定的影响.采用3组分替代模型预测燃料热沉,经实验验证,其物理热沉吻合较好.      

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。     

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。      

超临界压力下乳化煤油比定压热容测量

为了准确测量高温高压下乳化煤油的比定压热容,基于能量守恒的量热计理论,搭建了一套流动型比定压热容在线测量系统。系统温度测量范围为301~900K,测量压力可达10MPa。通过去离子水和质量比1:1正辛烷-正庚烷混合物对测量系统进行标定,实验结果与文献值进行比较,最大相对误差小于±1%,相对误差绝对平均值在0.46%以内。在此基础上,对含水质量分数为10%,20%,30%,50%的四种乳化煤油比定压热容进行测量,温度为301~880K,压力为3MPa。实验结果与航空煤油RP-3进行对比,结果表明:相同工况下,乳化煤油比定压热容较大,吸热能力更强,冷却壁温效果更好。该系统的搭建为进一步研究乳化碳氢燃料比定压热容创造了条件。     

低裂解度正癸烷物性快速计算方法

为研究正癸烷轻微裂解时物性计算方法,基于广义对应态法则建立起正癸烷裂解过程中的密度、黏度、导热系数和定压比热容的三种计算方法,包括直接计算、物性库插值计算、物性子库加权计算,在验证直接计算方法的准确度基础上,对比三种方法的计算精度、计算内存和计算时间来对其综合评估,并探究裂解度对高温物性的影响。计算温度变化范围为300~1020K,压力变化范围为1~15MPa,裂解度变化范围为0~0.25。结果表明:不同物性计算方法均能定性预测热物性的特殊变化趋势;以物性直接计算结果为基准,物性子库加权计算的误差与裂解度大小成正比;在不考虑计算内存的情况下,物性库插值计算方法能无损加速计算,低裂解度下快速工程计算可选择物性子库加权方法;裂解度对高温物性的影响显著且不可忽略。     

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。     

再生冷却通道跨临界甲烷流动传热研究

采用数值模拟方法,对再生冷却通道和跨临界甲烷进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式模拟燃气侧对流和辐射换热,考虑跨临界甲烷物性随温度和压力的变化.所得结果表明:甲烷比定压热容、黏度、导热系数在冷却通道截面出现极值,阻碍其热量交换,流场分层、流速非对称明显;冷却通道温度沿径向减小,沿周向增加至通道中心达到最大,在肋根处热流密度最低.     

高能合成煤油GN-1性能研究 --“液体火箭推进”专刊

结合火箭发动机工程应用环境,研究了GN-1煤油高温高压热物性、安全特性、传热结焦性能以及点火延迟性能,并和现役火箭煤油作了对比分析。采用商业仪器对GN-1煤油在最高200℃、最高压力25MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了实验测量。在实验数据的基础上,依据基团贡献法、基于比容平移法则的P-R方程、摩擦理论、广义对应态原理分别对GN-1煤油在最高350℃、最高压力60MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了理论计算,建立了GN-1煤油的密度方程、黏度方程、导热系数方程,并将方程的计算值与实验值进行了对比,计算偏差较小。对GN-1煤油和火箭煤油的安全性能进行对比研究,GN-1煤油的闪点为40℃,自燃温度为305℃,高于火箭煤油(225℃);燃点为47℃,低于火箭煤油(82℃),GN-1煤油的爆炸极限范围为0.44%-2.9%（40℃）。GN-1煤油和火箭煤油的急性经口毒性LD50＞5000mg/kg,均属于第五级化合物（实际无毒）。在入口压力10 MPa,流速10 m·s-1,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%,建立了传热准则方程。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煤油不锈钢材质管路中试验段平均结焦为高合管材质管路中的22.3%。在970K-1105K温度范围内,GN-1煤油的点火延迟时间为320μs-471μs,是火箭煤油的55.6%-69.3%。相关研究可对发动机可靠设计及应用提供重要参考。     

航空煤油RP-3结焦产物的物性

在环境温度为800K和900K条件下,获取RP-3航空煤油结焦产物,通过试验获得表观形貌及物性,拟合了结焦产物的比热容和导热系数随温度变化的经验关系式。结果表明:航空煤油结焦产物的微观结构为球状颗粒堆积且表面存在可见孔隙,表观密度约为1 049kg/m~3,真密度约为1 498kg/m~3,孔隙率约为29.9%,环境温度为800K下生成的油焦真密度较900K下生成的小;通过闪光法测得油焦比热容约为1.1~2.2J/(g·K),导热系数约为0.19~0.28W/(m·K),比热容和导热系数均随着温度的升高而增加,环境温度为800K下生成的油焦比热容和导热系数较在900K条件下生成的略大。     

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.     

超临界压力下航空煤油水平管内对流换热特性数值研究

采用RNG(renormalization group)k-ε湍流模型和近壁区的Wolfstein一方程模型对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在水平圆管内的流动和换热特性进行了数值研究.超临界压力下,由于航空煤油在拟临界点附近热物性的剧烈变化,浮升力将引起显著的二次流动.二次流动使得水平圆管的下表面湍流强度和对流换热增强,而上表面的湍流强度和对流换热减弱.最后分析了两种水平管内对流换热受浮升力影响判别标准在超临界流体中的适用性.      

碳氢燃料裂解吸热反应及超临界传热现象数值模型的构建与验证

 基于正癸烷在超临界压力下的热裂解反应机理,建立了考虑正癸烷裂解吸热反应及超临界传热现象的数值计算模型。采用该模型对正癸烷在3.45~11.38 MPa压力条件下的湍流传热过程进行了数值模拟计算研究,得到了详细的温度、速度、裂解转化率、物性及壁面热流密度的变化和分布情况。通过与已有的实验和数值计算结果的对比,对数值模型和计算软件进行了充分的验证。结果表明,本文的数值模型是准确、可靠的。这就为研究碳氢燃料的裂解吸热反应及超临界传热现象提供了一个有效的模拟计算工具。     

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.      

超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究

以发动机主动再生冷却系统为研究对象,建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法,在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究,初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流密度、入口压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响,并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明:在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力,消除传热恶化现象,并且不会带来明显的压降损失;存在一个最优波高和最佳雷诺数,使波纹管具有最优的综合换热性能;增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。     

大庆RP-3航空煤油热物性分析

1引言在超燃冲压发动机的实际运行过程中,吸热碳氢燃料通常被当作冷却剂去吸收气动加热和燃烧施于机体的热量,其温度和状态随着飞行马赫数的不同而发生变化。与液态燃料相比,在加热条件下,燃料的热物理特性及其喷注、混合和燃烧等过程有很大的不同,例如,临界点附近燃料的热力学     

超临界压力航空煤油RP-3在竖直微细管内的对流换热实验

以实验方式对超临界压力RP-3在内径为1.09mm微细管内的对流换热进行了研究,剖析了系统压力、加热热流密度、流动方向及浮升力这些因素对对流换热的影响。实验中热流密度控制为180~460kW/m2,系统进口压力变化范围为3~5MPa,进口雷诺数在3200~10200范围内变化。结果表明:对于向下流动,在实验段入口处浮升力对换热产生了恶化作用,热流密度越大,恶化作用越强;系统压力主要是通过影响流体热物性对对流换热产生影响;不同流动方向对对流换热的影响十分显著,整体上向下流动换热得到强化,向上流动换热得到恶化。      

超临界压力下航空煤油圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。