超临界压力碳氢燃料在多孔介质中结焦与传热实验研究

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1、超临界压力碳氢燃料在多孔介质中结焦与传热实验研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：闫帅指导教师:祝银海副研究员二○一七年五月ResearchonCokeDepositionandConvectiveHeatTransferofSupercriticalPressureHydrocarbonFuelsinPorousMediaThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfo

2、rthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyYanShuaiThesisSupervisor:ProfessorZhuYinhaiMay,2017摘要摘要高超声速飞行器前缘以及超声速燃烧冲压发动机喷油支板等部位处于极高温度和极大热流密度的恶劣工作环境，利用超临界压力吸热型碳氢燃料作为冷却流体的发汗冷却技术是解决这些部位热防护问题的关键技术之一。对碳氢燃料在多孔介质中的传热性能以及燃料在高温下结焦特性的研究对于飞行器相

3、应冷却结构设计具有重要意义。本文从碳氢燃料作为发汗冷却流体的安全性出发，以正癸烷和工程燃料作为工质，采用称重法测焦的方法研究了碳氢燃料在青铜多孔介质中的结焦特性，并总结了流体温度、质量流量和进口压力对碳氢燃料结焦性能的影响规律。实验研究表明：流体温度是碳氢燃料在多孔介质中结焦产物生成的主导因素，并发现碳氢燃料存在热氧化结焦与热裂解结焦两种结焦行为，导致其结焦表面沉积速率呈现双峰结构。一定温度下，质量流量决定燃料在流体通道中驻留时间，热氧化结焦由于受到驻留时间与溶解氧浓度两个因素制约，结焦表面沉积速率随质量流量增加先增大

4、后减小；而热裂解结焦则只受到驻留时间的影响，结焦表面沉积速率随质量流量增大而单调减小。进口压力升高可能会抑制正癸烷结焦产物的生成，从而多孔介质中结焦产物的沉积量减少。本文从碳氢燃料作为发汗冷却流体的换热性能出发，以正癸烷作为工质，采用局部非热平衡模型和集总参数法研究了超临界压力下碳氢燃料在青铜多孔介质中的传热规律。研究了流体温度、质量流量和进口压力对正癸烷在烧结多孔介质中对流换热的影响规律，并从流体物性变化和湍流强度的角度阐述其影响机理。最后根据实验数据拟合提出了用于描述实验工况范围内超临界压力正癸烷在多孔介质内部对流

5、换热的准则关联式。关键词：超临界压力；碳氢燃料；结焦；对流换热；多孔介质IAbstractAbstractThefrontofhypersonicvehiclesandfuelinjectorstrutsofscramjetenginewillsufferextremelyhightemperatureaswellashighheatfluxworkingconditions.Thetranspiration-coolingtechnologywhichusessupercriticalpressureendother

6、michydrocarbonfuelsascoolantisoneofkeythermalprotectionmethodstokeeptheheatedpartsundergoodprotection.Sotheresearchonheattransferperformanceandcokedepositioncharacteristicsofhydrocarbonfuelsinporousmediaplaysaveryimportantroleforthedesignoftranspiration-coolings

7、tructureofhypersonicvehicles.Consideringthesafetyofhydrocarbonfuelsascoolant,n-decaneandakindofengineeredfuelwereusedasworkingfluidstostudythecokedepositioncharacteristicsofhydrocarbonfuelinbronzeporousmediabyweighingthemassofcoke.Theinfluencesoffluidtemperature

8、,massflowrateandinletpressurewerediscussed,andtheresultsshowedthefollowingpoints.Thefluidtemperaturewasadominantfactorofcokegeneratedfromhydrocarbonfuel.Twotypesofcok