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。      

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。     

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。     

超临界压力下正十烷流动传热的数值模拟

为了深入理解主动再生冷却过程中碳氢燃料的超临界传热特性,基于SIMPLE算法建立了数值模拟方法,考虑了碳氢燃料物性随温度的剧烈变化,并利用电加热管实验结果验证了计算方法。针对超临界压力下细管道内正十烷的流动传热现象进行了系统的数值计算研究,考察了计算网格无关性和超临界流动传热过程中的压力效应。结果表明:网格选择与正十烷的状态有关;在超临界压力下,较低的正十烷压力引起临界温度附近的努赛尔数减小,导致传热效率下降;目前常用的传热经验公式在正十烷临界区域附近与数值计算结果差别较大。     

甲烷/氧气双组元微型推力室的实验研究

为研究微小推力室的工作特点,建立了双组元微小推力室的地面实验装置和数据采集系统。在内径为4mm,喉部直径为0.4mm的微小推力室内,采用氧气和甲烷气体作为推进剂进行了点火热试车,实时测量燃烧室压力和壁面的温度分布。实验结果表明,在富燃工况下,随着混合比的升高,燃烧温度和燃烧室压力逐渐升高;当混合比一定时,随着总流量的增加,燃烧室压力增加,微小推力室的推力和比冲也在升高。微小推力室的真空推力达到120mN,真空比冲达到了240s。     

超临界煤油超声速燃烧特性实验

针对各种温度、压力下，马赫数2．5流场中超临界煤油的超声速燃烧性能进行了实验研究。研制并测试了一个新型二级煤油加热系统，该系统能够把0．8kg的煤油在5．5MPa压力下加热至至950K而不产生严重的结碳。超声速燃烧试验表明，在相同的来流和燃料当量比条件下，超临界煤油的燃烧效率比室温煤油提高10％～15％，与氢气泡雾化的燃烧效率相当。     

应用于燃气轮机余热回收系统的超临界CO2径流式透平性能探究

为研究应用于燃气轮机余热回收系统的超临界CO₂（SCO₂）径流式透平整机性能,基于RANS（雷诺时均）模型,对透平整机系统内部流场进行数值模拟,获得了SCO₂径流式透平整机在起动、升速、自持及额定工况下的运行情况,并针对出口压力变化分析了透平非设计工况下的性能。模拟结果表明：透平起动工况下会发生运行失稳,产生“倒吸”现象且通道内出现大面积的低速区域,但随转速增加流动趋于稳定;叶顶间隙的泄漏流会对透平的性能产生不利影响,额定工况下0.5 mm的间隙使透平减少近47 kW的功率输出,等熵效率降低6%左右;轮背密封可以起到良好密封作用,密封引入气还提高了透平整机的功率和效率;在偏离设计点工况运行时,透平可以有效应对出口压力的变化;通过对比简化通道和全周通道的仿真数据,透平轴功率和等熵效率的误差均在0.5%以内,可知应用简化通道模型仿真能够保证计算精度。因此,在SCO₂径流式透平的仿真与应用过程中,研究人员要注重透平低速起动工况下的运行,以及叶顶间隙对这种小尺寸高转速透平机性能的影响。     

基于液氮冷源的液态甲烷过冷加注工艺

针对商业火箭公司对于液态甲烷过冷加注的需求,开展了基于液氮冷源的甲烷过冷加注系统方案设计,并计算得到了不同甲烷流量和液氮压力参数下的过冷器换热面积。为了防止液氮温度过低造成液态甲烷凝结,参考现有液氧和煤油工艺流程,提出2种不同控制策略的甲烷过冷加注系统,并详细对比分析了这2种系统所能实现的6个不同工艺流程。结果表明:基于背压控制的加注系统相比于基于液位控制的系统具有更高可靠性,同时前者能够实现在线实时加注工艺,原因在于其通过控制换热器中液氮压力来保证液氮温度始终高于甲烷冰点。甲烷过冷器换热面积与甲烷加注流量、液氮背压均成正比,在具体工程实施中应当根据加注需要选取合适的加注流量和液氮背压,以减小过冷器尺寸和降低设备制造成本。     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

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。