典型管路RP-3航空煤油热氧化结焦特性试验研究

结合航空发动机燃烧室燃油喷嘴内部典型油路结构特点,基于恒定环境温度的试验方法,针对直管、螺旋管和直角弯管三种结构油路试验件,开展RP-3航空煤油的结焦沉积特性研究。试验结果表明：直管沿程结焦量均呈现出先增大后减小的趋势,结焦量的峰值出现在试验件的中后部;直角弯管的沿程结焦量在弯曲段迅速增加,结焦量峰值位置和直管相比大幅提前,峰值后,结焦量在弯曲段整体保持较高的水平,当进入出口平直段开始下降;螺旋管的沿程结焦量分布呈现明显的双峰值形式,第一个峰值的位置比直管更加提前。三种结构中,螺旋管的单位面积结焦量最大,在燃油进口速度为2m/s时,其值约是直角弯管的2.46倍,直管的单位面积结焦量最小。     

超临界航空煤油喷射到大气环境的喷射特性

用纹影系统对超临界RP-3航空煤油喷射到大气环境中的喷射特性进行了试验研究.在纹影照片中可以看出喷嘴出口下游产生了桶形激波、马赫盘和斜激波,射流近场结构与高度欠膨胀空气射流非常相似.测试结果表明马赫盘的位置随着对比压力的增大而增大,对比温度对马赫盘位置的影响不大;马赫盘的直径随着对比温度的升高而减小,随着对比压力的增大而增大;射流的喷射长度随着对比压力的增大而增大,随着对比温度的升高而减小.      

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

为理解空-油换热器中的冷却换热特性,对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理,探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响;基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则;通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响;实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制,即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时,类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10^-4时,拟沸腾换热机制起作用。最后,探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大,传热恶化加剧,高泄压速率下甚至出现壁温波动。     

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。     

超临界燃油喷射特性受喷嘴长径比影响的实验研究

为研究喷嘴构型对超临界燃油喷射特性的影响,采用阴影显微成像系统对超临界RP-3航空煤油喷射到大气环境中的射流特征进行了实验研究,重点分析了喷嘴长径比对喷射扩张角、冷凝长度射流近场激波结构的影响。研究结果表明,超临界燃油喷射时,在喷嘴出口处存在截断激波和马赫盘等激波结构,马赫盘下游会出现工质的冷凝现象,并发现随着喷嘴长径比的增大,射流的喷射扩张角增大且其最大增幅达12.7%,而冷凝长度、马赫盘直径和马赫盘距离均减小,最大降幅分别为15.6%,56.1%和30.4%。     

超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。     

超临界压力下航空煤油RP-3壁面结焦特性对换热的影响

研究了超临界压力下航空煤油(RP-3)在微细管内流动过程中结焦对换热的影响规律.实验中系统压力保持为5MPa,燃油质量流量为3g/s.燃油溶解氧达到饱和,实验段进出口油温分别为127℃和450℃,实验时间为60min,并利用“称质法”获得煤油结焦量.结果表明:由于壁面结焦的差异使得换热特性沿实验段可分为3个区域:进口低温段的传热稳定区、结焦峰值处的传热恶化区和出口高温段的短期强化区.进口低温段结焦量较少,对换热的影响可以忽略;结焦峰值处由于其结焦迅速且量大致使管内传热热阻突增,传热系数下降36.1%故出现传热恶化;高温段出现短期强化是由于结焦微粒附着于管壁,增加了其粗糙度而导致近壁面处流体湍动能增大以及由于近壁面高温区域煤油裂解结焦而产生化学吸 热量,进而强化换热.随着时间的推移,结焦量不断增多,结焦热阻增加的效应抵消并超过以上两种因素的影响,因此又出现传热恶化.      

超临界燃料在喷嘴附近的相变和流动过程

为了研究超临界碳氢燃料喷射特性,采用实验结合一维分析的方法,对超临界正十烷/正庚烷/正戊烷混合物喷射到静止大气环境中的相变和流动过程进行了研究,揭示了燃料在喷口附近发生相变的途径,获得了相变分界线和喷嘴内部一维流动参数分布。研究结果表明:当喷射温度接近临界温度时,超临界正十烷/正庚烷/正戊烷混合物喷射过程中,会在喷嘴内部及喷口下游发生相变而产生冷凝;相变冷凝的转化过程发生在一定的温度范围内,在超临界压力下,射流发生完全冷凝的喷射温度为510K;喷射过程的相变分界线与相态之间的界面线并不重合;超临界正十烷/正庚烷/正戊烷混合物喷射到静止大气环境中时,在喷口处达到了当地声速,此时当地静压与喷射压力的比值约为0.64,静温与喷射温度的比值在0.97以上;不同喷射工况下,喷嘴内部的一维流动参数变化规律基本一致,比热比和压缩因子是影响无量纲流动参数分布规律的重要影响因素。     

基于超临界RP-3流动换热系统的RP-3对流换热规律试验研究

开发了超临界RP-3流动换热试验系统。采用该试验系统分析了RP-3在φ2．2mm×0．2mm的不锈钢管中竖直向上和向下流动的换热规律;对其物理特性参数,采用广义对应状态法,结合试验结果给出。试验结果表明：浮升力和热加速的影响可以忽略不计,向上和向下流动对换热没有显著影响。对试验数据与采用2种经验公式所得的计算结果进行了比较,结果表明吻合情况较好。     

RP-3航空煤油燃烧特性及其反应机理构建综述

目前耦合航空煤油多步燃烧反应机理的数值模拟计算已引起学者们的重视,燃烧反应机理的构建已成为研究热点。详细介绍了国内外关于航空煤油模拟替代燃料的选取、化学反应动力学模型构建和简化、着火延迟时间和层流燃烧速度等的实验规律。依据国外研究进展,指出了中国在国产RP-3航空煤油燃烧反应机理研究方面应从基础研究做起,全方位、多维、立体地合作开展相关研究,主要包括:国产RP-3航空煤油化学动力学模型的建立、低温高压工况条件下航空煤油与模拟替代燃料的基础实验研究与模型燃烧室研究,以期丰富相关研究成果,推进航空发动机的高质量发展。     

RP-3航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH_3,CH_2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。     

RP-3航空煤油不同替代模型的空化流动特性

为研究RP-3航空煤油空化流动特性,采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空煤油的物理替代模型并给出其主要物性参数,对收缩扩张流道内航空煤油替代模型、正十二烷(C12H26)和水体的空化流动进行了数值计算研究,计算时考虑了饱和蒸汽压修正及航空煤油物性参数随流场温度变化。结果表明:由45％正十二烷、25%正十烷、5%辛烷、5%甲基环己烷和20%甲苯(摩尔比)组成的替代模型能够较好拟合RP-3的物质属性,可用来替代RP-3进行空化流动计算。常温下航空煤油的初生空化数小于水体,相同空化数下(σ=1.5),水体的空穴长度约为航空煤油的1.4倍,航空煤油的空化强度更弱,液汽交界面较模糊。随着温度的升高,航空煤油空化热力学效应增强,但其在煤油泵工作温度区域内空化热力学效应不显著,在煤油泵空化性能预测时可以忽略煤油空化热力学效应的影响。     

RP-3航空煤油五组分模拟替代燃料的层流燃烧特性

为了研究一种RP-3航空煤油的五组分模拟替代燃料（包含摩尔分数为14%正癸烷、10%正十二烷、30%异十六烷、36%甲基环己烷和10%甲苯）的燃烧特性,在定容燃烧装置中对初始温度390K、400K和420K,初始压力0.1MPa和0.3MPa,当量比0.8-1.5的该五组分混合燃料进行了层流燃烧特性的试验。通过对火焰照片进行边界提取和测量,获得了火焰面发展规律、马克斯坦长度和层流燃烧速率,并将试验结果与RP-3航空煤油的层流燃烧速度进行了对比,得出结论：温度升高会促进球形火焰面的传播;压力升高或混合气过浓和过稀都不利于五组分混合燃料的火焰传播。在本文的试验工况下,温度对火焰前锋面不稳定性的影响不明显;随着当量比增加,马克斯坦长度减小,质量扩散的作用逐渐增强而使火焰面变得不稳定;压力升高使火焰前锋面的不稳定程度明显加剧,表现为初始压力较高时火焰面破碎情况严重并出现大量细胞状结构。五组分混合燃料层流燃烧速度的峰值出现在当量比1.2左右,偏离该当量比时,火焰传播速度随着偏离量逐渐减小。通过与RP-3航空煤油的试验数据进行对比,发现在试验工况下,该五组分混合燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速度基本吻合。     

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

RP-3航空煤油的亚/超临界密度实测和计算方法研究

为了逐步改善高性能空天动力装置研究中液态碳氢燃料物性数据缺乏的现状,设计了一种气动活塞式的密度测量装置,对压力和温度范围分别为1.2~4.0MPa和293~673K的常用液态碳氢燃料——RP-3航空煤油的密度进行了实验测量,并分析了其密度随温度和压力的变化规律。此外,基于PR状态方程进行了真实流体的密度计算,并结合已有的正癸烷(C10H22)密度实验数据对计算过程进行了修正。通过将采用修正后的方法计算出的RP-3航空煤油的密度值与实验测量值进行对比,发现计算值比实验值稍低,尤其在低温阶段和临界点附近。分析认为,这主要是由于此计算方法用于混合物计算时的局限性造成的。