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.      

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。      

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%。     

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.      

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。     

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航空燃油非定常空化流动特性研究

采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空燃油的物理替代模型,并给出其主要物性参数,基于雷诺时均方法(RANS)对室温下(298K)航空燃油绕Clark-Y型水翼非定常空化流动进行了数值计算研究,并与同温度下水体空化进行了比较。研究结果表明,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。在相同雷诺数下,RP-3较水体更容易发生空化,其初生空化数为2.5。两种流体介质空化的非定常特征基本相同,RP-3空化更为显著,空穴内部含汽量更高,在云状空化阶段(Re=7×105,σ∞=0.8),空化流动非定常准周期变化频率对应的斯特劳哈尔数St小于水体。     

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。     

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。     

超临界压力下RP-3航空煤油吸热裂解反应的数值研究

为深入理解主动冷却过程中碳氢燃料的超临界吸热裂解特性,采用RP-3航空煤油的四组分替代模型、包含18种组分和24步反应的改进Kumar-Kunzru裂解反应动力学模型,对压力为5MPa时管道内RP-3的吸热裂解反应过程进行了数值模拟,研究了裂解反应对燃料物性和传热特性的影响,以及裂解率较高时二次反应对RP-3裂解的影响。结果表明:温度达到890K时,RP-3的裂解率超过20%,其中芳烃占裂解产物的12.1%;RP-3裂解后燃料物性显著变化,管道出口壁温和燃料温度分别降低了130K和129K,努塞尔数提高了16.5%,传热效率显著提高;裂解率较高时二次反应对RP-3裂解的影响较大,相比不考虑二次反应的状态,带二次反应时RP-3裂解率减小了29.1%,管道出口壁温和燃料温度分别降低了34K和22K。     

一种新的RP-3航空煤油模拟替代燃料

为了遴选出符合RP-3航空煤油物理与化学特性的模拟替代燃料,综合分析了RP-3航空煤油的物理与化学特性。针对其物理与化学特性,确定了RP-3航空煤油模拟替代燃料的遴选指标（包括摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值）。针对遴选指标,提出了由正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯等五种组分组成的RP 3航空煤油模拟替代燃料,并对该模拟替代燃料中各组分的摩尔分数进行了优化。同时,对比分析了不同温度下该模拟替代燃料与RP 3航空煤油的密度与运动黏度。结果表明,当该模拟替代燃料中正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯的摩尔分数分别为14%、10%、30%、36%与10%时,该模拟替代燃料的摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值与RP 3航空煤油的相应数据非常吻合。同时,不同温度下该模拟替代燃料的密度与运动黏度变化趋势与RP-3航空煤油吻合较好。      

RP-3航空煤油综合替代燃料模型构建

基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、1,3,5-三甲基苯和十氢化萘作为基础燃料,为RP-3航空煤油构建了替代燃料模型。物理替代验证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。利用所构建的替代燃料简化机理验证了其化学替代性能,结果表明:该模型不仅在高温区和低温区都能与着火延迟时间的实验值良好吻合,而且也能够良好反映燃料的在低压条件下(0.1～0.01 MPa)的着火延迟现象。模拟的物性参数和着火延迟时间与实验值的良好吻合证明了该替代燃料能同时实现物理替代和化学替代,为深刻认识超燃冲压发动机中燃料再生冷却与燃烧过程耦合机理,实现航空发动机再生冷却系统和推进动力系统等多部件联合仿真奠定基础。     

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.      

Visualization Experiments of a Specific Fuel Flow Through Quartz-glass Tubes Under both Sub- and Supercritical Conditions

The present work is a visualization study of a typical kerosene (RP-3) flowing through vertical and horizontal quartz-glass tubes under both suband supercritical conditions by a high speed camera. The experiments are accomplished at temperatures of 300-730 K under pressures from 0.107-5 MPa. Six distinctive two-phase flow patterns are observed in upward flow and the critical point of RP-3 is identified as critical pressure pc=2.33 MPa and critical temperature Tc=645.04 K and it is found that when the fluid pressure exceeds 2.33 MPa the flow can be considered as a single phase flow. The critical opalescence phenomenon of RP-3 is observed when the temperature is between 643.16 K and 648.61 K and the pressure is between 2.308 MPa and 2.366 MPa. The region filled by the critical opalescence in the upward flow is clearly larger than that in the downward flow due to the interaction between the buoyancy force and fluid inertia. Morecover, obvious layered flow phenomenon is observed in horizontal flow under supercritical pressures due to the differences of gravity and density.     

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...     

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3组分模拟替代燃料燃烧反应机理

提出了一种包括65%正癸烷、10%甲苯与25%丙基环己烷3组分的RP-3航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理,该机理由150种组分和591个基元反应组成.采用该燃烧反应机理对RP-3航空煤油模拟替代燃料在激波管和定容燃烧弹中的着火与燃烧特性进行数值模拟,并与相应工况实验数据进行对比分析.通过与RP-3航空煤油单组分正癸烷模拟替代燃料的燃烧反应机理进行对比分析发现:正癸烷、甲苯与丙基环己烷3组分替代燃料的燃烧反应机理对着火延迟时间的计算偏差能够控制在5%以内,对层流燃烧速度的计算偏差能够控制在10%以内,计算值明显优于正癸烷单组分替代燃料;进一步采用敏感性分析方法对3组分模拟替代燃料的燃料反应机理进行了适当修正,修正后机理对层流燃烧速度的计算偏差由10%提高到5%以内,能够更好预测所研究参数下的RP-3航空煤油的着火延迟时间和层流燃烧速度.