超临界压力吸热型碳氢燃料热裂解及传热特性研究

超临界吸热型碳氢燃料作为冷却剂对高温热部件进行冷却是现代高超声速飞行中一种重要的热防护技术。随着马赫数的增加，材料承受过高的温度，冷却技术越来越重要。使用再生冷却技术可以有效冷却高温热部件，减少飞行器重量，提高燃烧性能。超临界吸热型碳氢燃料具有热沉高的优点，但其结焦现象也会造成传热恶化或引起事故。多数飞行器的冷却通道压力高于临界压力，超临界流体的最大特点是在临界点附近物性变化剧烈，准临界温度附近的物性变化会给冷却剂的换热特性带来复杂的影响。与此同时，压力、流量的变化也会带来换热性能的变化。超临界流体的研究表明浮升力和热加速也会对换热造成很大的影响。随着温度升高，碳氢燃料开始发生热裂解反应，裂解反应会带来额外的热沉，有利用冷却的进行。对吸热型碳氢燃料的研究成为越来越重要的课题。本文针对RP-3煤油进行了2mm竖直圆管内超临界压力条件下对流换热实验和数值模拟的研究，并对RP-3煤油热裂解开展了实验研究。通过针对超临界RP-3较低雷诺数和较高雷诺数下不同压力和热流密度的对流换热和热裂解的实验，探讨了浮升力、压力、流量对换热的影响。结果表明，在雷诺数为2500的2mm圆管内，浮升力使向上流动的换热恶化；而在雷诺数为4500时，浮升力对传热的影响不大。接近临界压力时，热物性变化明显，在2.5MPa和3MPa压力下准临界温度附近的换热增强。高的流量强化了对流换热，而压力则通过热物性的变化对换热带来复杂的影响。在RP-3热裂解反应产气率小于3%的情况下，产气率随温度升高指数增加，驻留时间的增加也会增加产气率，流量和压力通过驻留时间的变化影响热裂解反应。实验中，产气率小于3%，气体组分相互比例变化不大，由此建立了基于产物分布成比例模型的一步反应，通过数值模拟与实验结果比对，证明了其合理性。开展了超临界RP-3对流换热的数值模拟，比较了不同模型在不同雷诺数工况的模拟情况，现有模型对浮升力的模拟结果有一定偏差。发现在浮升力影响换热的工况中，速度径向梯度减小，湍动能减小，换热恶化。