超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与应用

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1、学校代码学学校代码校代码10699分分分类类类号号号V235.21密密密级级级学学学号号号2011100100西北工业大学题题目目超燃冲压发动机碳氢燃料再生超燃冲压发动机碳氢燃料再生超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与应用冷却流动传热研究与应用冷却流动传热研究与应用作作者者赵国柱赵国柱赵国柱学科学科、学科、、、专业专业航航空宇航科学航空宇航空宇航科学科学与技术科学与技术指导导导教教教师师师宋宋文艳文艳申请学位日期2015年年年10月月月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与应用作者：赵国柱学科专业：航空宇航航空宇航科

2、学航空宇航科学科学与技术科学与技术研究方向：吸气式高超声速技术指导教师：宋文艳宋文艳宋文艳宋文艳2015年10月ResearchandApplicationofRegenerativeCoolingFlowandHeatTransferofHydrocarbonFuelsforScramjetByZhaoGuozhuADissertationSubmittedtotheFacultyoftheNorthwesternPolytechnicalUniversityInPartialFullfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDOCTO

3、RofPHILOSOPHYinScienceandTechnologyofAeronauticsandAstronauticsAcademicAdvisorSongWenyanSchoolofEngineandEnergyNorthwesternPolytechnicalUniversityXi’an,P.R.ChinaOctober,2015摘要碳氢燃料主动再生冷却技术是实现超燃冲压发动机有效热防护的技术途径之一，目前已成为研究热点。发动机复杂的冷却结构和涉及的传热、裂解等复杂的物理化学问题，要求对冷却燃料实际的三维流动传热过程和热裂解反应进行详细研究，从而支撑合理的冷却

4、结构设计。由于再生冷却超燃冲压发动机加工工艺复杂、费用昂贵，热考核试验难度较大、冷却结构内参数测量困难，因此难以仅通过试验手段完成冷却结构设计。通过对冷却结构内燃料的流动传热过程进行数值模拟，能够获得详细的流场参数，进而依据这些参数对结构进行改进，是进行冷却结构设计的有效手段，本文围绕这一课题，较为系统地开展了计算和试验研究。本文对国内外超燃冲压发动机再生冷却技术和碳氢燃料超临界传热及裂解特性等相关研究进展进行了总结和归纳，阐述了超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究的关键问题和意义。建立了超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热的数值计算方法，完成了程序的编制。考虑了燃

5、料物性随温度和压力的变化，可以实现碳氢燃料三维超临界流动、传热及热裂解反应的并行计算。采用包含24步反应（1个总体反应和23个二次反应）和18种组分的修正Kumar-Kunzru模型描述碳氢燃料的热裂解反应过程，能够得到包括芳烃在内的裂解产物的详细分布，解决了大多数研究中无法准确预测裂解产物生成，从而导致难以精确计算裂解态燃料物性的问题。提出了碳氢燃料物性拟合的“查表-插值”方法，该方法形式简单，数据链表扩充性、重复性好，具有较高的精度和计算效率，适合工程应用。完成了复杂冷却结构内三维水流流动试验、燃油冷却面板试验和电加热管试验，根据试验数据验证了计算方法和程序的可靠性。采

6、用经验证的计算方法对碳氢燃料流动传热过程中涉及的关键问题进行了探索。研究了单根通道内燃料裂解对其物性、流动和传热特性的影响，二次反应对裂解过程的影响，超临界传热、裂解过程中的压力效应，通道高宽比对裂解、流动和传热特性的影响等，获得了相应的变化规律。研究结论可以支撑复杂冷却结构内的燃料流动传热特性分析，可以支撑冷却结构的性能评估。计算分析了影响发动机侧板冷却结构内流量分配的典型区域的流场特征。随后通过冷态与发动机实际工况下多种侧板模型的流量分配特性对比，获得了两种状态下冷却流量的变化规律，确定了采用冷态设计方法进行冷却结构设计的可行性。在此基础上，计算研究了二十余种侧板模型的

7、流量分配特性，得到了汇流槽I和肋片等局部结构对冷却流量分配的影响规律。提出了以冷却流量为目标参数的冷却结构设计方法，为燃烧室的加工和热考核奠定了基础。综合运用取得的研究成果完成了缩尺发动机燃烧室的冷却结构设计，其侧板的冷却流量分配结果显著改善。完成了马赫数6.0、油气比1.0条件下燃烧室的冷却性能评估，得到的燃料温度和裂解率、结构本体温度、燃烧室最大应力和最大位移都处于安全工作范围内。完成了油气比0.4~0.82条件下燃烧室的11车“开环”热考核试验，单次最长运行时间200s，试验后模型完好，表明设计成功，研究方法