水蒸气对超临界碳氢燃料积碳与传热影响的机理研究

Increasing the heat sink and anti-coking capability of regenerative cooling process using hydrocarbon fuels is of significance to thermal protection of scramjets. The low heat sink utilization level and serious coke deposition phenomenon have been the major challenges for single-stage thermal cracking and steam reforming reactions of hydrocarbon fuels. Therefore, a novel multi-stage regenerative cooling method consisting of thermal cracking and catalytic steam reforming of hydrocarbon fuels as well as steam gasification of coke is proposed. By separately regulating complex chemical reactions, it is promising to increase heat sink and suppress coke formation of hydrocarbon fuels. The thermal cracking and steam reforming reactions of hydrocarbons fuels as well as steam gasification of coke deposits are all endothermic reactions and can provide high heat sink. The hydrogen-rich atmosphere produced by steam reforming of hydrocarbon fuels together with the gasification reaction of coke deposits can reduce coke formation. Meanwhile, by regulating the multi-stage steam injection normal to the heating surface, the heat and mass transfer processes within the boundary layers can be enhanced. Both experimental and numerical simulation methods will be used in the present project to establish multi-stage reaction and measurement system and develop a set of numerical simulation methods for chemical reactions of hydrocarbon fuels. It is aimed to reveal the heat and mass transfer characteristics, particularly the influence of water steam on coke formation mechanism and heat transfer characteristics of hydrocarbon fuels in the multi-stage regenerative cooling process.

提升碳氢燃料再生冷却的热沉和抗积碳特性，对于超燃冲压发动机热防护具有重要意义。目前碳氢燃料单段裂解/重整反应面临着燃料热沉利用水平不高及积碳严重等挑战。有鉴于此，本项目提出碳氢燃料裂解/重整耦合积碳气化的新型分段式再生冷却方法。通过对碳氢燃料复杂反应的分级调控，有望提高碳氢燃料热沉利用水平并抑制结焦。第一段的碳氢燃料裂解/重整反应，以及第二段的积碳与水蒸汽的气化反应都是吸热反应，可以提供较高的化学热沉。碳氢燃料催化重整反应形成的富氢气氛以及积碳与水蒸气的气化反应，可以减少积碳生成。同时，通过控制加热壁面法向方向上的水蒸汽分级射流，可以强化流场边界层内的传热传质过程。本项目将通过实验和数值模拟研究，建立碳氢燃料分段反应的实验和测量系统，发展具有一定通用性的碳氢燃料化学反应数值模拟方法，揭示碳氢燃料化学反应流传热传质规律，尤其是水蒸汽对碳氢燃料分段再生冷却中积碳形成机理及传热特性的影响。

本项目立项以来，进展顺利。截止目前，共发表高水平SCI论文6篇，发表会议论文2篇，申请专利1项，培养硕士研究生2名，完成了预期研究目标。项目围绕超燃冲压发动机再生冷却面临的两大重要挑战，即积碳和传热恶化问题，提出和验证了一种用于超燃冲压发动机主动热防护新型的碳氢燃料蒸气重整耦合积碳调控的技术方法。主要研究成果如下：（1）采用碳氢燃料催化重整耦合积碳调控方法，积碳产率下降80%以上，碳氢燃料吸热能力和传热性能明显改善，冷却通道内内温度分布均匀性提高，热分层效应明显减小，碳氢燃料利用率提高。（2）数值仿真揭示了水蒸汽对碳氢燃料反应传热及积碳特性的影响。相比于碳氢燃料裂解反应，蒸汽重整反应中水蒸汽的引入使得反应流中反应物种类和反应路径增加，导致反应体系中除了吸热反应外，还出现了放热反应及复杂的二次反应。吸热反应和放热反应相互作用，导致碳氢燃料化学热沉分布出现不同于裂解吸热的特性。（3）定量揭示了积碳厚度与层流底层厚度的相对大小对细通道内碳氢燃料传热性能的影响。研究发现，存在一个临界积碳厚度，当积碳层厚度小于此临界厚度时，积碳可以增强换热。反之，积碳则会导致传热恶化。（4）针对热沉分布不均匀及积碳问题，提出超临界碳氢燃料分段反应与积碳原位清除方法。研究发现分段式再生冷却方法可以大幅度减少碳氢燃料产生的积碳，明显提高碳氢燃料再生冷却过程中的总热沉，并强化边界层内的传热传质过程。（5）建立了积碳前驱体生成和演化过程数值仿真Monte Carlo方法，通过仿真分析再生冷却通道内碳氢燃料原位蒸汽重整生成积碳的机理，揭示了积碳前驱体颗粒成核，凝并及沉积过程，对于积碳形成的动力学过程，给出了更详细的解释和描述。总之，本研究充分验证了碳氢燃料燃料蒸气重整耦合积碳调控的方法的可行性，研究提出的积碳原位清除与分段反应方法，对于实现燃料再生冷却通道高性能运行具有重要意义，有望为高飞行马赫数飞行器热防护提供重要技术支撑。