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超燃冲压发动机冷却通道内碳氢燃料传热及裂解特性研究

作　者: 屈云凤
导　师: 徐志强；周伟星
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 碳氢燃料传热特性热裂解超临界压力
分类号: TK401
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高超声速飞行器的冷却问题由于飞行马赫数的提高愈发重要。超燃冲压发动机工作于高速、高强度燃烧、高温的极端恶劣的环境中,考虑飞行器体积以及制备和存储的后勤安全以及代价问题,常规燃料的使用有所限制,而高性能碳氢燃料则更具吸引力。它通过物理热容以及化学裂解大量吸热,储存飞行器高温部位的热量,在燃烧室通过燃烧再释放出来,从而有效地解决飞行器的热管理问题。可见,碳氢燃料的传热与裂解特性对超燃冲压发动机热防护研究具有重要意义。本文通过对超临界压力下超燃冲压发动机主动再生冷却系统中单根冷却通道碳氢燃料的传热流动和裂解特性进行数值模拟和实验研究,重点分析了超临界条件下碳氢燃料的传热恶化现象以及高温热裂解现象,为超燃冲压发动机热防护系统设计提供一定的数值依据以及经验基础。首先,对超燃冲压发动机主动再生冷却通道进行建模,研究了不同进口温度、压力、热流密度和质量流速条件下戊烷的传热特性。重点研究了超临界条件下碳氢燃料的传热恶化现象,比较了不同条件下的内壁面以及冷却剂温度的变化情况,从而分析内壁面的换热状况,并给出了不同物性参数对传热恶化现象的影响。得到了入口温度为400K时,压力、质量流速、热流密度共同作用下的传热恶化消失边界,以及一定范围内临界热流密度的关系式。结果表明,压力的增大、质量流速和热流密度的减小有利于减小传热恶化。其次,建立碳氢燃料正庚烷高温热裂解的动力学机理,对超燃冲压发动机冷却通道中不同质量流速、进口温度、热流密度条件下碳氢燃料的热裂解进行了数值模拟,得到了以上因素对裂解率、裂解产物分布规律和传热流动特性的影响规律。结果表明,质量流速的增大,进口温度和热流密度的减小将降低正庚烷的裂解率和壁面温度。最后,对超临界压力下超燃冲压发动机单根冷却通道中的碳氢燃料的传热特性进行了实验研究,得到了壁面的传热恶化现象以及不同壁面热流密度下的内壁面温度和换热系数随着管长的变化规律,并对此进行分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-25
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  10-14
    1.1.1 超燃冲压发动机的冷却要求  10
    1.1.2 再生冷却与传统冷却方式的比较  10-12
    1.1.3 常规燃料的限制  12-13
    1.1.4 碳氢燃料的优势  13-14
  1.2 国内外研究现状及分析  14-23
    1.2.1 碳氢燃料研究现状  14-17
    1.2.2 碳氢燃料的数值模拟  17-19
    1.2.3 超临界条件下碳氢燃料流动换热特性研究现状  19-21
    1.2.4 超临界条件下传热恶化的研究现状  21-23
  1.3 本文的主要研究内容  23-25
第2章超燃冲压发动机冷却通道中碳氢燃料传热的数值模拟  25-32
  2.1 引言  25-26
  2.2 发动机冷却通道的物理模型  26
  2.3 数值计算方法  26-27
  2.4 戊烷的物性参数  27-28
  2.5 碳氢燃料传热的数值模拟结果与原因分析  28-31
    2.5.1 超临界压力下戊烷的传热恶化  28-29
    2.5.2 不同入口温度时的换热特性  29-30
    2.5.3 物性参数对传热恶化的影响  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章超燃冲压发动机冷却通道中碳氢燃料传热特性研究  32-40
  3.1 引言  32-33
  3.2 不同条件下的传热特性分析  33-37
    3.2.1 压力变化下的传热特性分析  33-34
    3.2.2 热流密度变化下的传热特性分析  34-36
    3.2.3 质量流速变化下的传热特性分析  36-37
  3.3 碳氢燃料传热恶化边界的方法研究  37-38
  3.4 碳氢燃料传热恶化边界验证  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章超燃冲压发动机冷却通道中碳氢燃料热裂解模拟计算  40-68
  4.1 引言  40
  4.2 碳氢燃料在发动机冷却通道内裂解的三维几何模型  40-41
  4.3 碳氢燃料热裂解模拟的数值计算方法  41-42
    4.3.1 数值方法  41-42
    4.3.2 碳氢燃料高温热裂解的动力学机理  42
    4.3.3 边界条件设置  42
  4.4 模拟结果与分析  42-67
    4.4.1 不同流量条件下碳氢燃料的热裂解  42-50
    4.4.2 不同热流密度条件下碳氢燃料的热裂解  50-58
    4.4.3 不同入口温度条件下碳氢燃料的热裂解  58-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章超燃冲压发动机冷却通道中碳氢燃料传热特性实验研究  68-77
  5.1 前言  68
  5.2 高温燃油传热实验台简介  68-71
    5.2.1 实验台布局  68-69
    5.2.2 实验台系统功能介绍  69-71
  5.3 实验方案设计与实验操作过程  71-72
    5.3.1 实验方案设计  71-72
    5.3.2 实验操作过程  72
  5.4 碳氢燃料传热特性实验结果  72-76
    5.4.1 不同热流密度条件下碳氢燃料的传热特性  72-75
    5.4.2 实验结果分析  75-76
  5.5 本章小结  76-77
结论  77-79
参考文献  79-86
附录  86-88
攻读学位期间发表的学术论文  88-90
致谢  90

超燃冲压发动机冷却通道内碳氢燃料传热及裂解特性研究

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