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.      

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.      

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.      

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.      

RP-3航空煤油着火特性的实验

在化学激波管中利用反射激波着火,采用壁面压力与OH自发光作为着火指示信号,测量了着火温度范围为1100~1600K,压力为0.1,0.2,0.3MPa,当量比为0.5,1.0,1.5时RP-3航空煤油/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,分析了着火温度、压力以及当量比对混合气着火延迟时间的影响,并拟合得到了不同压力与当量比下混合气着火延迟时间的Arrhenius关系式.结果表明:在不同压力与当量比下,混合气的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,同时,随着着火温度与压力的升高以及混合气当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短.      

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...     

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.      

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.      

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。      

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.      

基于人工神经网络模型的超临界RP-3热物性计算

为准确得到超临界压力下RP-3的热物性，基于人工神经网络（ANN）方法建立超临界RP-3的密度、黏度、比定压热容和导热系数的计算模型。以广义对应态法则计算得到的RP-3热物性结果训练神经网络，并耦合了实验误差模型得到修正后的ANN模型。计算温度变化范围为300～800 K，压力变化范围为3～6 MPa。结果表明：ANN模型能准确地预测超临界RP-3的热物性，且计算精度比广义对应态法则计算得到的结果提高了16.3%。在压力为5 MPa的工况下，ANN模型预测的密度、黏度、比定压热容和导热系数的回归系数均大于0.99，与实验结果平均相对误差分别为1.5%、4.1%、0.9%和0.7%。     

RP-3航空煤油层流燃烧特性的实验

为了阐明RP-3航空煤油的燃烧特性,在定容燃烧反应器中实验测量了初始压力分别为0.1,0.3,0.5,0.7MPa、初始温度分别为390,420,450K、当量比范围为0.6~1.6时,RP-3航空煤油的层流燃烧速度与马克斯坦长度,分析了初始温度、压力以及当量比对火焰发展结构、层流燃烧速度及马克斯坦长度的影响.结果表明:随着初始温度的升高或初始压力的降低,RP-3航空煤油的层流燃烧速度逐渐升高;随着当量比由0.6升高至1.6,层流燃烧速度呈现先增加后降低的趋势,当当量比为1.2时,层流燃烧速度最大.随着初始压力或当量比的降低,马克斯坦长度逐渐增大,火焰稳定性增强;初始温度对马克斯坦长度的影响不明显,当当量比为0.9~1.1时,随着初始温度的升高,马克斯坦长度逐渐减小,但当当量比为1.2~1.5时,马克斯坦长度则有所增大.      

Numerical investigation on flow and heat transfer characteristics of supercritical RP-3 in inclined pipe

Numerical simulations of flow and heat transfer to supercritical RP-3 through the inclined tubes have been performed using LS k–e model embedded in Fluent. The physical properties of RP-3 were obtained using the generalized corresponding state laws based on the fourcomponent surrogate model. Mass flow rate is 0.3 g/s, system pressure is 3 MPa, inlet temperature is 373 K. Inclination of the inclined pipe varied from -90° to 90°, with heat flux varied from 300 k W/m~2 to 400 kW/m~2. Comparison between the calculated result and the experimental data indicates the range of error reasonable. The results of ±45° show that temperature inhomogeneity in inclined pipe produce the secondary flow in its cross section due to the buoyancy force. Depending on the strength of the temperature inhomogeneity, there will be two different forms of secondary flow and both contribute to the convective heat transfer in the pipe. The secondary flow intensity decreases when the inhomogeneity alleviates and thermal acceleration will play a leading role. It will have a greater impact on the turbulent flow to affect the convective heat transfer in the pipe. When changing the inclination, it affects the magnitude of the buoyant component in flow direction. The angle increases, the buoyancy component decreases. And the peak temperature of wall dominated by the secondary flow will move forward and increase in height.     

甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置获得初始温度为450K、初始压力为0.1~0.3MPa、当量比为0.7~1.5以及甲烷摩尔分数为0~0.8工况下甲烷/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展特性图片、马克斯坦长度和层流燃烧速度等燃烧特性,分析甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧稳定性及层流燃烧速度的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数增加,甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧趋于稳定,初始压力对燃烧稳定性影响较大,随着初始压力增加,燃烧稳定性变差。混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小,当甲烷摩尔分数增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势变缓,当初始压力增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势明显变缓。混合燃料层流燃烧速度随当量比增加呈现先增大后减小的变化趋势。当甲烷摩尔分数为0、0.4和0.6时,随着甲烷摩尔分数增加,混合燃料层流燃烧速度逐渐增大,当初始压力为0.1、0.2、0.3MPa时,随着初始压力增加,混合燃料层流燃烧速度显著降低,随着甲烷摩尔分数和初始压力的增加,混合燃料层流燃烧速度峰值有向当量比大的区移动的趋势。      

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.      

碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

小球藻油/RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性

在初始压力0.1 MPa、初始温度450 K和当量比范围0.8~1.2工况下,进行小球藻油及其与RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性研究。研究结果表明:随着当量比增加,小球藻油着火滞燃期缩短,拉伸火焰传播速度增加。与RP-3航空煤油相比,小球藻油无拉伸火焰传播速度峰值更偏向于浓混合气区域,且对当量比较为敏感,随着当量比增加,其无拉伸火焰传播速度变化显著。随着小球藻油含量增加,混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值右移,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值出现在当量比Φ=1.4附近。研究发现,与小球藻油和RP-3航空煤油单组分燃料相比,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料马克斯坦长度值变大,混合燃料具有较好的燃烧稳定性。      

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。     

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.