超临界压力下乳化碳氢燃料换热特性实验研究

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超燃冲压发动机的热防护问题一直是制约其发展的重要因素。目前,利用飞行器本身携带的碳氢燃料作为冷却剂的再生主动冷却技术是最有效的解决方法。但是,碳氢燃料在高温下的结焦特性会严重影响发动机的正常工作。研究发现水与碳氢燃料乳化后能够极大地抑制燃料的结焦,故本文就针对碳氢燃料和水乳化形成乳化碳氢燃料进行了实验研究。本文以超燃冲压发动机的再生主动冷却技术为研究背景,在传统碳氢燃料电加热实验平台的基础上,设计搭建乳化碳氢燃料电加热实验台。通过实验模拟燃料对超燃冲压发动机的冷却基本过程,在实验段出口压力维持在3 MPa,加热出口流体温度至450℃~750℃,燃料质量流量分别为1.0 g/s、1.5 g/s、2.0 g/s和2.6 g/s的实验条件下,对超临界压力下含水质量分数分别为10%、30%和50%的乳化碳氢燃料和碳氢燃料的热流密度、热沉和换热能力进行了实验研究。实验结果分析可知:超临界压力下,出口流体温度越高,乳化碳氢燃料和碳氢燃料的热流密度和热沉越大;含水质量分数越高,乳化碳氢燃料的热流密度和热沉越大;质量流量越大,乳化碳氢燃料和碳氢燃料的热流密度越大,热沉越小。超临界压力下,碳氢燃料在通道内换热能力沿实验段轴长方向逐渐增强;乳化碳氢燃料在通道内会发生传热恶化现象。含水质量分数越高,传热恶化现象发生越早,传热恶化区域越大;出口流体温度越高,传热恶化现象发生越早,但不影响传热恶化区域大小。对比乳化碳氢燃料和碳氢燃料分析得知:乳化碳氢燃料的热流密度、热沉和换热能力均高于碳氢燃料。故作为超燃冲压发动机的冷却剂,乳化碳氢燃料的换热冷却能力更强。
摘要第3-4页
abstract第4-5页
1 绪论第10-21页
    1.1 课题研究的背景与意义第10-12页
    1.2 超临界态流体的定义及性质第12-14页
    1.3 国内外研究现状第14-19页
        1.3.1 超临界流体国内外换热特性研究现状第14-16页
        1.3.2 吸热型碳氢燃料国内外研究现状第16-18页
        1.3.3 乳化碳氢燃料国内外研究现状第18-19页
    1.4 本文主要研究内容第19-20页
    1.5 本章小结第20-21页
2 实验系统和实验方法第21-34页
    2.1 实验系统第21-28页
        2.1.1 燃料循环系统第21-22页
        2.1.2 电加热系统第22-23页
        2.1.3 压力控制系统第23-24页
        2.1.4 冷却系统第24-25页
        2.1.5 数据采集系统第25-28页
    2.2 实验内容与实验步骤第28-30页
        2.2.1 实验内容第28-29页
        2.2.2 实验步骤第29-30页
        2.2.3 安全注意事项第30页
    2.3 实验误差分析第30-32页
        2.3.1 误差产生原因第30页
        2.3.2 减小误差方法第30页
        2.3.3 实验不确定度及其计算方法第30-31页
        2.3.4 各测量物理量的相对不确定度第31-32页
    2.4 本章小结第32-34页
3 乳化碳氢燃料的换热特性第34-52页
    3.1 乳化碳氢燃料的热流密度特性第34-39页
        3.1.1 热流密度的定义第34页
        3.1.2 热流密度的计算方法第34-37页
        3.1.3 出口流体温度和含水质量分数的影响第37-38页
        3.1.4 质量流量的影响第38-39页
    3.2 乳化碳氢燃料的热沉特性第39-43页
        3.2.1 热沉的定义第39-40页
        3.2.2 热沉的计算方法第40页
        3.2.3 出口流体温度和含水质量分数的影响第40-42页
        3.2.4 质量流量的影响第42-43页
    3.3 含水质量分数对换热能力的影响第43-47页
        3.3.1 换热系数的定义第43页
        3.3.2 燃料换热系数的计算方法第43-44页
        3.3.3 含水质量分数对乳化碳氢燃料换热能力的影响第44-47页
    3.4 出口流体温度对换热能力的影响第47-50页
        3.4.1 含水质量分数η=10%的乳化碳氢燃料第47-48页
        3.4.2 含水质量分数η=30%的乳化碳氢燃料第48-49页
        3.4.3 含水质量分数η=50%的乳化碳氢燃料第49-50页
    3.5 本章小结第50-52页
4 乳化碳氢燃料换热特性与碳氢燃料的对比第52-61页
    4.1 热流密度特性的对比第52-54页
        4.1.1 碳氢燃料的热流密度特性第52-53页
        4.1.2 乳化碳氢燃料与碳氢燃料的对比第53-54页
    4.2 热沉特性的对比第54-57页
        4.2.1 碳氢燃料的热沉特性第54-55页
        4.2.2 乳化碳氢燃料与碳氢燃料的对比第55-57页
    4.3 换热能力的对比第57-60页
        4.3.1 碳氢燃料的换热能力第57-58页
        4.3.2 乳化碳氢燃料与碳氢燃料的对比第58-60页
    4.4 本章小结第60-61页
5 结论与展望第61-63页
    5.1 本文主要工作总结第61-62页
    5.2 进一步工作展望第62-63页
致谢第63-64页
参考文献第64-69页
附录第69-75页
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果第75页
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