液体推进剂的热裂解生焦过程研究

研究了液体推进剂模型燃料正十一烷在575～700℃、0.1～5.0MPa条件下的热裂解生焦情况,通过气相色谱法(GC)和气相色谱-质谱法(GC-MS)对裂解气液相产物进行了分析,并根据分析结果推测了可能的裂解结焦机理。气体产物主要有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯,裂解液中则含有烯烃类、环烃类、苯类和多环芳烃等化合物。随温度和压力的升高,反应程度明显加深,产物中芳烃及多环芳烃类化合物含量显著增加,更容易发生结焦沉积、堵管等现象。     

超临界压力下正癸烷在多孔介质中结焦实验研究

发散冷却是高超声速飞行器热部件防护的关键技术之一。为了研究碳氢燃料结焦性对其作为冷却流体在发散冷却技术中安全性的影响,对超临界压力下正癸烷在烧结青铜球形颗粒多孔介质中的结焦特性进行实验研究,获得了正癸烷在压力3MPa,温度350~638℃和质量流量2~4kg/h下的焦碳表面沉积规律。研究表明:温度是正癸烷在多孔介质中结焦产物生成的主导因素,并发现正癸烷存在热氧化结焦与热裂解结焦两种结焦行为,导致其焦碳表面沉积速率呈现双峰结构。一定温度下,质量流量决定正癸烷在流道中驻留时间,热氧化结焦受驻留时间与溶解氧浓度两个因素制约,焦碳表面沉积速率随质量流量增加先增大后减小;热裂解结焦则只受到驻留时间的影响,焦碳表面沉积速率随质量流量增大而单调减小。     

冷却通道预氧化处理抑制碳氢燃料热裂解结焦的研究

主动冷却超燃冲压发动机用吸热碳氢燃料应用过程中不可避免产生裂解结焦,这是制约燃料热沉能力和过程可靠性的重要因素。冷却通道表面进行预处理,是减少裂解结焦的重要途径之一。系统研究了预氧化321不锈钢管(Φ3 mm×0.5 mm)的元素迁移和微观结构。利用超临界航空煤油RP-3的热裂解反应为探针,研究预氧化处理对结焦的影响。实验发现,高温氧化后(900℃),管表面形成一层致密的Cr2O3膜,能减少碳沉积,几乎不生成纤维碳;较低温(600~800℃)氧化时,虽然Cr元素不断向金属表面迁移,Fe,Ni元素向金属内部迁移,但同时产生了大量空缺位提供渗碳通道,最终导致结焦量高于空管。     

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.      

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。     

矩形冷却槽道内煤油热裂解过程数值研究

高马赫数下超燃冲压发动机煤油再生冷却过程中易发生热裂解反应导致结焦,因此有必要在冷却通道中开展热裂解过程研究。基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应,对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了三维数值模拟研究,将固壁的传热和槽道内流动反应进行耦合计算,与三种不同热流密度的实验工况对比。结果表明,在热裂解反应发生以前,两相流模型的温度分布和实验数据吻合得很好,但随着燃油温度升高到450℃,燃料开始发生复杂的化学反应,两者开始出现偏离,温度越高,偏离越大。在引入热裂解反应模型之后,高温区域的温度显著降低,和实验结果吻合。热流密度越大,裂解反应率加剧,煤油反应转化率增大。煤油在弯折冷却通道中温度分布不对称。     

超临界压力下航空煤油结焦换热综述及实验

综述了航空发动机CCA(cooled cooling air)冷却方式,对利用航空发动机外涵空气和航空煤油作为冷源两种不同技术路线的技术效能进行了对比,结果表明后者具有明显的优势.对国内外超临界压力下航空煤油结焦机理、结焦影响因素、结焦抑制以及换热、流动特性研究现状进行了综述,结果表明煤油温度、压力、表面材料对结焦有影响作用,加入相应添加剂可以有效抑制结焦,流动不稳定的影响因素以及浮升力对换热影响的判据.针对国内燃油RP-3进行了超临界流动结焦、静态结焦、以及流动换热的初步实验研究,结果表明压力、进口温度、材料表面特性影响煤油热氧化结焦,质量流量、流动方向、实验段弯曲对煤油换热有所影响.     

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.      

主动冷却通道内吸热型碳氢燃料热裂解结焦抑制机理

为阐明超临界条件下吸热型碳氢燃料的热裂解结焦抑制机理,在电加热管实验装置上,获得了沿程油温、壁温以及燃料的组成,分析了结焦抑制添加剂影响碳氢燃料高温裂解和结焦的实验数据。结果表明:结焦抑制添加剂对碳氢燃料的裂解影响小于4%,降低结焦量约30%;添加结焦抑制剂后,结焦速率下降较快,稳定结焦速率降低约2%。采用SEM表征结焦抑制添加剂对结焦形貌的影响。结果表明,添加剂同时抑制了表面催化结焦与自由基生长结焦的形成。      

高密度烃在冲压发动机再生冷却中适用性研究

为了研究高密度烃是否适用于宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却，分析了高密度烃再生冷却关键表征指标及其实验方法研究现状，然后模拟再生冷却系统典型冷却通道结构，在背压3.5 MPa和6.0 MPa工况下，采用单管直流电加热实验系统，开展了HD-01高密度烃热沉及结焦特性研究。研究结果表明：在3.5 MPa背压实验中，出现了燃料温度振荡、管路热声振荡和外壁温度异常升高现象；而在6.0 MPa背压实验中，未发生管路热声振荡现象，燃料温度和外壁温度升高过程均较为平稳。3.5 MPa背压和6.0 MPa背压两种工况的HD-01高密度烃600℃热沉均大于1.8 MJ/kg，在整个实验温度范围内，热沉上升速率变化不明显，表明在600℃内燃料的裂解率不大。在600℃进行长时间加热结焦实验时，加热管进出口压差非常稳定，均没有超过30 kPa，没有出现结焦堵塞使压力急剧上升的情况，表明HD-01高密度烃在600℃以内结焦率很低。从热沉及结焦特性两个关键指标分析可知，HD-01高密度烃适用于最高马赫数5.0的宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却。高密度烃用于再生冷却时，冷却通道的设计压力应高于其临界压力值3.6 MPa...     

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。     

增材制造螺旋圆管航空煤油热氧化结焦特性的试验研究

为得到环境温度、入口雷诺数和磨粒流处理工艺对RP?3航空煤油氧化结焦特性的影响,针对增材制造（3D打印）螺旋圆管,采用了恒定环境温度的试验方法,开展了RP?3航空煤油热氧化结焦试验研究。试验结果表明:当入口雷诺数和试验时间保持恒定时,无论燃油处于静止还是流动状态,燃油结焦速率和总结焦量都随着环境温度的增加而增大;当试验件壁温和试验时间保持不变时,燃油处于流动状态下,燃油结焦速率和总结焦量随着入口雷诺数的增大呈现先增加后减少的变化趋势。采用磨粒流处理后,燃油在试验件内的结焦速率大于基准工况,总结焦量是基准工况下的1.17倍。对试验件内表面进行磨粒流处理不利于抑制结焦沉积。      

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。     

煤油富燃燃气旋转爆震燃烧实验研究

为了了解煤油富燃燃气旋转爆震燃烧的过程及其特点,采用液体煤油一次燃烧后的富燃燃气与富氧空气二次爆震燃烧的方案,对0.51～1.29余气系数条件下的旋转爆震燃烧过程开展了实验研究。实验研究结果表明:与液体煤油相比,煤油富燃燃气能够在更低氧含量的富氧空气中实现旋转爆震波的稳定传播。氧气质量含量为29%,余气系数为0.74时,煤油富燃燃气与富氧空气形成的旋转爆震波的传播速度均值为926.3m/s。贫氧条件下,随着空气流量增大,旋转爆震波的传播速度先减小后增大,其最小值为氧浓度降低与空气流量增大对爆震波传播速度影响的平衡点。本实验范围内,该平衡点对应的氧气质量含量和余气系数分别为35%与0.92。     

Pressure wave propagation characteristics in a two-phase flow pipeline for liquid-propellant rocket

The aim of this paper is to investigate the pressure wave propagation behavior in LOX/kerosene rocket engine pump pipeline. A pressure wave propagation model for gas–liquid two-phase flow with phase change taken into consideration is first proposed by using ensemble-averaging techniques. Then condensation of gas oxygen in subcooled liquid oxygen and the corresponding mixing process in pump pipeline are numerically simulated with the application of thermal phase change model in Computational Fluid Dynamics code CFX. Finally, based on the established model and the predicted flow parameters, pressure wave in gas–liquid pipeline flow, characterized by the propagation speed and the attenuation coefficient, is studied by personally compiled code on MATLAB. The calculation results indicate that the propagation speed of two-phase pressure wave first slightly falls and then increases with the decreasing void fraction along the flow direction, and the increase of angular frequency causes the propagation speed and the attenuation coefficient of two-phase pressure wave to increase. The vapor bubble diameter, mass flow rate and inlet temperature of gas oxygen are shown to have strong effects on the mixing flow condensation process of gas oxygen and liquid oxygen. Bubble with larger diameter can weaken the condensation process, and leads to greater cross-sectional mean void fraction of gas oxygen. This phenomenon results in an overall decrease in pressure wave propagation speed and an increase in attenuation coefficient except for the short slug-flow region located at the pipeline inlet. Similar effects can also be achieved by increasing the mass flow rate or the inlet temperature of gas oxygen.     

超临界压力下乳化煤油传热性能数值研究

为了减少煤油在冷却时的结焦析碳，研究乳化煤油在超临界压力工况下传热特性随热负荷变化的规律以及析碳的影响。在对比煤油工质的计算与试验数据的基础上，改进并验证了模型的可用性，得到各相、各参数的全场分布及壁温随热负荷变化规律；在相同工况和热负荷下，乳化油比煤油更能起到降低壁温、减少析碳的作用；含水量越大乳化煤油降低壁温效果越好，但不能进一步减少析碳量。     

火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却数值仿真

对液体火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却进行了数值计算,针对液膜-燃气流场区多组分、轴对称Navier-Stokes(N-S)方程和再生冷却区单组分N-S方程进行求解,并使用k-ε方程求解湍流流动.对文献中的某液氧/煤油火箭发动机燃烧室进行了数值模拟,该模型的计算结果能够与文献中的计算结果较好地吻合.计算结果表明:①液膜-再生复合冷却能有效地减少壁面热流密度和降低壁面温度,且其形成的冷气边区覆盖了整个燃烧室及喷管壁面;②再生冷却液入口质量流量越大,复合冷却作用越明显,壁面温度越低;③随再生冷却液质量流量的不同其温升在450~600K之间,且质量流量越大,再生冷却液的温升越小.④壁面煤油的质量分数不断下降,在喷管出口壁面处达到最低值,但含有煤油的区域不断变大.      

文氏管在煤油燃料超燃冲压发动机中的应用

为了提高试验效率，将文氏管流量控制技术应用到液体煤油燃料超燃冲压发动机地面直连式试验中，在一次试车中完成了多个燃料当量比的试验。在模型发动机2．5s工作时间内，利用流量调节系统实现了煤油流量阶梯变化，对应当量比分别为1．01，0．88和0．71，随着燃料流量减小，超燃冲压模型发动机维持稳定燃烧，发动机推力减小，燃烧室压力降低，隔离段内预燃激波串位置后移。试验结果说明文氏管流量控制系统工作稳定，调节过程清晰，达到预定试验目的，并且该技术可作为一个有效的手段应用到变当量比超燃冲压发动机燃烧过程动态特性研究中。