【摘 要】
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随着空天技术的发展,高速飞行器的热防护问题是颇具挑战性的研究课题。再生冷却技术是解决超燃冲压发动机热防护难题最有工程应用价值的技术途径。解析冷却通道内碳氢燃料裂解反应、传热和结焦复杂耦合现象已成为主动冷却过程调控和优化的关键问题。本文采用实验与理论计算相结合的研究方法,深入解析燃料裂解反应与传热过程耦合机制,力图为真实发动机冷却通道的结构设计提供了理论基础和方法。采用流化沙浴加热实验装置,研究了超
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随着空天技术的发展,高速飞行器的热防护问题是颇具挑战性的研究课题。再生冷却技术是解决超燃冲压发动机热防护难题最有工程应用价值的技术途径。解析冷却通道内碳氢燃料裂解反应、传热和结焦复杂耦合现象已成为主动冷却过程调控和优化的关键问题。本文采用实验与理论计算相结合的研究方法,深入解析燃料裂解反应与传热过程耦合机制,力图为真实发动机冷却通道的结构设计提供了理论基础和方法。采用流化沙浴加热实验装置,研究了超临界燃料HF-1的裂解反应及产物分布,基于等效体积的方法,建立了一个包含16种物质和10个反应的分子动力学模型。该模型对电加热管内燃料裂解转化率的预测偏差小于15%,壁面和流体温度偏差小于20 K。建立水平圆管内碳氢燃料的流动-反应-传热耦合模型,并完成实验验证。结果发现,低热流时（低于400 k W/m~2）,裂解反应能有效强化传热过程。当热流从426 k W/m~2增加到758 k W/m~2时,Nub从108.8下降到73.4。这可能是由于高热流下近壁面深度裂解反应显著增大了近壁面流体的粘度和导热系数,及热物性的径向分布梯度,使得边界层效应更加明显。在不同矩形通道内（宽高比λ=1～5）,实验研究燃料的裂解反应和对流传热过程,并建立冷却通道三维模型。结果表明,矩形截面内出现明显的传热差异:在顶壁面,增大λ使得平均热流降低、主流体吸收热增大,有利于传热;当λ从3.2增加到5时,平均传热系数从4480增加到4709 W/m~2K。在侧壁面和角落处发生传热恶化,壁温升高3-4 K,存在较优结构（3＜λ＜5）平衡换热面积与裂解反应对传热的影响。这不仅是因为二次反应使得角落处粘度增加,边界层更厚;还可能是侧壁面深度裂解反应导致物性急剧变化和化学吸收热降低,增大传热阻力。针对真实发动机工况,通过改变电加热管的壁面厚度,研究了不同程度非均匀热流分布下（q=44.1～674.8 k W/m~2）超临界碳氢燃料裂解反应传热过程及结焦特性。在裂解反应初期,周向非均匀热流增强了截面内的二次流,有利于对流传热;在高转化率下,二次流的影响逐渐减弱。随着热流非均匀性的加剧,局部高热流区的近壁面深度裂解反应显著增大了边界层的传热阻力,同时还导致湍动能降低及湍流传热距离增加,进一步增大湍流传热阻力,使得平均传热系数逐渐降低,最高壁面温度急剧升高,从而恶化壁面结焦。
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