碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動機(jī)再生-膜復(fù)合冷卻特性研究.pdf

1、吸氣式高超聲速飛行器由于燃燒釋熱和氣動加熱等原因，會面臨非常嚴(yán)重的熱防護(hù)問題。為保證其主要部件-超燃沖壓發(fā)動機(jī)的可靠性和耐久性，通常需要依靠再生冷卻以及膜冷卻等主動冷卻方式。在冷卻過程中，除了利用燃料的顯焓吸熱之外，還可以利用吸熱型碳?xì)淙剂系臒崃呀饣瘜W(xué)反應(yīng)吸熱能力。值得注意的是，經(jīng)過再生冷卻過程的吸熱型碳?xì)淙剂先匀痪哂幸欢ǖ母魺崮芰Γ戳呀饣蛘呶赐耆呀獾奈鼰嵝吞細(xì)淙剂线€能提供一定的化學(xué)吸熱?；诖?，本文提出了吸熱型碳?xì)淙剂显偕?膜復(fù)合

2、冷卻方案，以期進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展吸熱型碳?xì)淙剂系睦鋮s能力，降低發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。由于裂解反應(yīng)的發(fā)生，吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的再生冷卻和膜冷卻過程是一個帶有化學(xué)反應(yīng)的流動換熱過程，并且值得注意的是，帶有裂解吸熱反應(yīng)的再生冷卻過程是一個特殊的能量回收過程。因此，研究含有裂解吸熱反應(yīng)的再生及膜冷卻的流動換熱過程，并在此基礎(chǔ)上研究超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對流動換熱及能量回收過程的影響，對掌握帶有化學(xué)反應(yīng)的再生及膜冷卻機(jī)理和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

3、規(guī)律有重要的意義。本文面向含有化學(xué)反應(yīng)的碳?xì)淙剂显偕澳だ鋮s相關(guān)問題，開展了如下幾個方面的工作：
　　建立跨臨界正癸烷高裂解率下化學(xué)反應(yīng)流動換熱數(shù)值模型，考慮了真實(shí)氣體物性以及裂解反應(yīng)。對所采用的物性計(jì)算方法進(jìn)行了精度驗(yàn)證并對整體模型的可用精度和范圍進(jìn)行了驗(yàn)證，模型裂解率使用范圍擴(kuò)展至76％。在模型的基礎(chǔ)上，初步分析了再生冷卻通道內(nèi)冷卻劑速度、溫度以及裂解反應(yīng)之間的三維耦合特性，發(fā)現(xiàn)在單面加熱的超燃沖壓發(fā)動機(jī)再生冷卻通道內(nèi)，熱分層

4、現(xiàn)象極其嚴(yán)重，它會引起裂解率的嚴(yán)重分層現(xiàn)象。
　　針對再生冷卻過程是能量回收過程的特點(diǎn)，研究了再生冷卻通道內(nèi)由于流場參數(shù)不均勻?qū)е碌奈锢頍岢良盎瘜W(xué)熱沉分層現(xiàn)象以及化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生對于熱沉分層的影響，發(fā)現(xiàn)由于熱分層和裂解率分布不均勻帶來的物理熱沉以及化學(xué)熱沉分層現(xiàn)象極其嚴(yán)重，會對能量回收過程造成非常不利的影響。通過分析再生冷卻系統(tǒng)熱沉影響因素，發(fā)現(xiàn)通過尺寸參數(shù)優(yōu)化，可以對熱分層現(xiàn)象進(jìn)行切實(shí)可行的控制，在非化學(xué)反應(yīng)區(qū)，存在一個最佳通道高

5、寬比，使得熱沉分層最小，對能量回收過程最有利，而在化學(xué)反應(yīng)區(qū)，則是通道高寬比越小，越能提高化學(xué)吸熱量，減小熱沉分層，對能量回收過程更有利。
　　通過對再生冷卻通道內(nèi)的跨臨界化學(xué)反應(yīng)流動換熱進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了吸熱型碳?xì)淙剂显诔紱_壓發(fā)動機(jī)再生冷卻通道內(nèi)存在除了跨臨界傳熱惡化以外的高溫區(qū)域嚴(yán)重?zé)岱謱訋淼膫鳠釔夯F(xiàn)象。這一特殊的傳熱惡化機(jī)制使得在再生冷卻通道的非化學(xué)反應(yīng)區(qū)，增大高寬比所帶來的對換熱的正面效應(yīng)很快就被更為嚴(yán)重的熱分層帶

6、來的傳熱惡化消除，冷卻通道的最佳高寬比停留在較小的數(shù)值上。而壓力以及燃料種類的改變造成的物性變化規(guī)律的改變會改變最佳高寬比的大小。在化學(xué)反應(yīng)區(qū)，發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)會通過吸熱和裂解率分層特性對換熱產(chǎn)生利弊雙重影響，而增大高寬比會帶來更嚴(yán)重的熱分層，增大裂解率不均勻并減小裂解吸熱，對換熱的不利影響遠(yuǎn)大于肋效應(yīng)的增強(qiáng)。因此，在化學(xué)反應(yīng)區(qū)，高寬比越小，換熱情況越好?？傮w來說，對于使用大分子碳?xì)淙剂系某紱_壓發(fā)動機(jī)再生冷卻系統(tǒng)來說，由于嚴(yán)重?zé)岱謱訋淼?/p>

7、傳熱惡化以及化學(xué)反應(yīng)的存在，不宜使用較大的高寬比。
　　提出多效利用碳?xì)淙剂侠鋮s能力的再生/膜復(fù)合冷卻方案，通過數(shù)值模擬和原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在燃燒室中，采用高溫吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s氣時，可以有效的進(jìn)行隔熱，從而降低壁面溫度。研究發(fā)現(xiàn)在氣膜冷卻過程中裂解反應(yīng)對冷卻具有雙重作用，它既會吸熱從而降低冷卻膜溫度，對冷卻有利，也會通過擾動流場增強(qiáng)主流與冷卻流的摻混，對冷卻不利。化學(xué)反應(yīng)所帶來的利弊影響相互平衡最終決定了其對膜冷卻效果的影