吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦量線上測量方法

《吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦量線上測量方法》是依託西安交通大學，由劉朝暉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦量線上測量方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉朝暉
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

作為冷卻劑的吸熱型碳氫燃料在高溫下發生化學裂解吸收熱量的同時，在小通道冷卻結構內產生結焦，危害飛行器安全。如何進行表面結焦量測試，目前國內尚無理想的線上測量方法。本項目以新型飛行器再生主動冷卻技術為背景，擬開展吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦線上測量方法實驗研究。結焦何時產生，以及結焦量的多少，是評估結焦特性的重要參數。本項目基於層流流體力學，研究結焦與流阻之間的函式關係，建立流阻法，測試結焦在冷卻通道內的當量厚度；基於傳熱學導熱定律，研究結焦對傳熱的影響，建立熱阻法，線上測試結焦層在通道內的分布趨勢。流阻法和熱阻法，可套用於單通道、平板結構甚至發動機冷卻結構內的結焦量分析，測試方法簡便、高效、實用，為研製抗結焦性能良好的碳氫燃料和燃料套用於發動機的整機測試奠定基礎。本項目屬於化學與工程熱物理交叉學科的前沿基礎研究，具有突出的工程套用和科學研究價值。

結題摘要

突破“熱障”是吸氣式高超聲速飛行器成功飛行的關鍵。未經冷卻超燃衝壓發動機燃燒室壁面溫度達到3000 K以上。採用自帶燃料作為冷卻劑的再生主動冷卻是飛行器熱防護的可行方案。再生冷卻要求燃料溫度達到 750 ℃以上，吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦，危害飛行器安全。 本項目開展了吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦線上測量方法實驗研究。建立了流阻法，並對熱阻法進行了細緻地探索研究。流阻法基於層流流體力學泊肅葉定律，確定結焦與流阻之間的函式關係，在結焦實驗前後，採用熱物性（密度和粘度）已知的標準流體在常溫常壓下測量通道內的流動阻力變化，得到結焦層在通道內的當量厚度。熱阻法基於傳熱學導熱定律，研究結焦與傳熱的相互影響，通過測量結焦前後壁溫的變化，得到結焦層在通道內的分布趨勢。 研究表明吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦是燃料在邊界層內的結焦動力學行為。碳氫燃料的熱裂解結焦與邊界層溫度（壁面溫度和燃料溫度的平均值）密切相關。大量的結焦發生在邊界層溫度大於600 ℃，並且在約750 ℃達到最大值。進行 30 min 結焦試驗，2 mm 內徑通道內，結焦層厚度約 10-150 μm。結焦層表面粗糙度約 5-20μm。對於 2.0 mm 內徑的冷卻通道，相對粗糙度遠小於 0.05。因此，泊肅葉定律適應於結焦管道內的摩擦阻力係數計算。研究表明在2 mm內徑通道內，流阻法可以達到較高的精度。通過消除管道內徑加工精度的影響，以及流體溫度對阻力的影響，流阻法的不確定度小於5.0%。熱阻法研究表明：結焦與換熱之間存在對應關係，少量結焦強化換熱，大量結焦會弱化換熱。但強化與弱化之間的轉折點結焦層厚度具有不確定性，因結焦形態，燃料種類而異。且強化換熱和弱化換熱的程度也同樣受到以上因素影響。因此，熱阻法的誤差較大，不適應於結焦的定量分析。 本項目建立的流阻法直接在原來的實驗系統上進行結焦測試，不需要專門的測焦裝置，且不破壞結焦通道，不受冷卻結構的限制，在國內吸熱型碳氫燃料研製與篩選中得到廣泛套用，具有工程套用和科學研究價值。