吸熱型碳氫燃料水動力學流動不穩定性機理研究

《吸熱型碳氫燃料水動力學流動不穩定性機理研究》是依託大連理工大學,由楊竹強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：吸熱型碳氫燃料水動力學流動不穩定性機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊竹強

項目摘要

再生主動冷卻技術是新型高速飛行器熱防護管理中一項具有套用前景的冷卻技術。吸熱型碳氫燃料作為再生主動冷卻系統中的製冷劑，其流動與換熱情況將直接影響到飛行器運行的性能與安全。由於燃料自身複雜的熱物理性質，加之高溫高壓、大熱流密度、氣液物態轉化、化學反應等苛刻工作環境的影響，吸熱型碳氫燃料在流動過程中存在較為複雜的水動力特性及流動不穩定性。為此，本項目擬開展關於吸熱型碳氫燃料並聯多通道中的水動力學特性及流動不穩定性的機理性研究。首先，實驗線上獲取吸熱型碳氫燃料熱物性數據，建立高壓力大溫度範圍內的熱物性模型；其次，實驗獲得碳氫燃料複雜的水動力學特性曲線及在並聯通道中流量分配、流動不穩定性的規律，總結抑制或避免流動不穩定性發生的有效措施；最後，建立超臨界碳氫燃料流動換熱的數學物理模型，模擬分析熱物性參數、流動狀態及通道結構等參數對於碳氫燃料流動過程的作用機理，為再生主動冷卻熱防護設計提供理論指導。

結題摘要

在高超聲速飛行器整體能源管理系統中，熱沉的有效管理以及熱量的有效利用問題是制約飛行器全局系統設計的關鍵。利用機載燃料作為高超聲速飛行器熱防護“冷媒介質”的再生主動冷卻技術，成為高效完成飛行器核心部件熱量傳導輸出的關鍵技術。本項目圍繞機載碳氫燃料的理化特性、水動力學多值特性和流動穩定性主要開展了如下工作：首先，選取典型碳氫燃料作為研究對象，分別採用γ射線測量、雙毛細管和流動量熱測試方法完成密度、粘度和定壓比熱的線上測量；利用測量獲取的熱物性數據，構建了測試工況條件下碳氫燃料的熱物性數學模型，從而為接下來工作中的流動不穩定性實驗與數值分析提供理論支撐。構建了超臨界流體水動力學數學模型，並用實驗方法驗證了超臨界碳氫化合物水動力學多值特性的存在。實驗發現提高壓力、增加、流體入口焓值、降低熱載荷密度可以改善超臨界壓力下流體的水動力穩定性，同時管道尺寸長度的減小和管徑的增大同樣有助於流體穩定性的增加；實驗各參量以及流動方向還將對流動不穩定起始點產生顯著影響，基於實驗數據，採用量綱分析方法總結歸納出了適用於超臨界流體流動不穩定起始點的經驗關聯式，量化獲得了流動不穩定閾值邊界。採用逐步升負荷和快速升負荷兩種熱流條件，獲取了並聯雙通道內流量分配和流動傳熱不穩定性的實驗結果。近臨界區域內物性隨擾動的劇烈變化使得子通道間的結構和換熱微小差異發生劇烈變化，從而引起燃料在子通道間的分配不均勻。提高入口冷態流速會傾向於使並聯雙通道間流量分配偏差加劇，而壓力的提高可以有效地抑制了擬臨界區附近物性的變化程度，有助於提高並聯雙管系統的流動分配穩定性；同時通道入口施加節流措施可以有效地消除流動不穩定性。結構長度的改變在加熱流體溫度低於（擬）臨界溫度之前對於流量分配與流動穩定性無明顯影響。採用Lyapunov理論、數值分析以及分岔理論識別平衡點的動力學穩定性特徵，表征流量漂移過程；構造流量漂移全局相圖，識別初值邊界位置，量化評價有限大擾動對流量漂移影響；確定流動不穩定性起始點真實位置，獲取其典型特徵。開展不同流動參數和通道結構中流體流動穩定性的機理性分析，給出多通道流通結構的最佳設計參數。結合以上模擬分析結果，本項目設計完成了兩款不同設計結構與尺寸的高效換熱單元，所獲得的研究結果將為再生主動冷卻熱防護結構設計提供理論支持。