超临界压力下碳氢燃料化学反应流热声振荡机理研究

Regenerative cooling using hydrocarbon fuel is one of the key technologies of SCRamjet, in which the thermo-acoustic oscillation imposes serious threatens to both cooling effect and engine structure safety. However, investigations on the hydrocarbon fuel thermo-acoustic oscillation are far from being developed, especially the oscillations in chemical reaction zone. In this work, through both experimental and numerical methods, including flow visualization observation, the mechanism of hydrocarbon fuel thermo-acoustic oscillation in the regenerative cooling of SCRamjet is studied. The coupling relation between thermo-acoustic oscillation and chemical reaction (pyrolysis/coke formation) is focused and the interaction mechanism between thermo-acoustic oscillation and heat and mass transfer is uncovered. This work is expected to break through the hydrocarbon fuel thermo-acoustic oscillation under supercritical pressure. The research results at this stage establish a theoretical foundation for better understanding of hydrocarbon fuel transient flow and heat transfer process, and they will also be a thrust for improving regenerative cooling effect and extending the usable range of Mach number in the application of hypersonic propulsion.

碳氢燃料再生冷却是超燃冲压发动机关键技术之一，然而冷却过程中的热声振荡问题却严重威胁着冷却效果和发动机热结构安全。目前关于碳氢燃料流动传热中的热声振荡现象研究尚不系统，尤其是化学反应区的热声振荡机理亟待关注。本项目结合实验与数值研究方法，引入可视化观测，研究超燃冲压发动机再生冷却过程中碳氢燃料热声振荡机理及影响因素，关注热声振荡与化学反应（裂解/结焦）的耦合机制，揭示热声振荡与传热传质过程的相互作用机制，旨在突破超临界压力下碳氢燃料流动传热中热声振荡这一科学问题。本项目所取得的阶段性成果将为深入认识超临界压力下碳氢燃料非稳态流动换热过程奠定理论基础，对进一步提升发动机冷却效果和拓宽发动机运行马赫数范围有重要推动作用。

超燃冲压发动机工作于燃烧放热和气动加热引起的极端恶劣环境下，面临着严峻的材料热防护问题。采用吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却，通过燃料的物理热沉和化学热沉吸收热量，可以高效地解决这一问题。在再生冷却通道内，碳氢燃料工作压力高于其临界压力，超临界压力下热物性特殊变化引发了复杂的流动传热现象，使得燃料在冷却通道内极易产生流动换热不稳定性，如热声振荡或者流量漂移等现象，持续的不稳定可能会引发结构振动、流量分配不均和传热恶化，从而严重影响换热效果。因此，研究超临界压力下碳氢燃料的流动传热过程对再生冷却技术的应用具有重要意义。本文围绕上述问题开展以下研究：.针对超临界压力下碳氢燃料剧烈的变物性所导致的热声振荡开展了水平圆管实验研究。实验中采用单直圆管内的对流换热过程模拟超燃冲压发动机再生冷却过程，采用电加热方式模拟燃烧室的壁面热流。实验发现在不同运行压力下，都会出现明显的热声振荡数现象，随着热流密度的增大，出口流体温度越接近准临界温度，振荡幅度越大。同时，入口效应和拟沸腾效应对振荡的影响较为明显，且超临界流体都会经历稳定-振荡-稳定的过程。除此之外，实验结果表明增大实验压力会使得燃料热物性变化趋势平缓，减弱热声振荡现象的振幅；而增大入口质量流量会强化换热，进而抑制热声不稳定现象的发生。.针对水平圆管内碳氢燃料热裂解区热声振荡开展了实验研究，对比了不同工况下燃料热沉的分布与换热系数之间的大小，热裂解区燃料组分的变化会产生化学热沉收益强化换热，同时裂解气的产生会增加额外热阻使得换热恶化，增加了实验管内流动换热过程的复杂性。结果表明减小入口质量流量会增加裂解反应的程度，但也会抑制热声振荡；增大实验压力致使实验工质密度增加，停留时间增加，进而促进化学反应的发生。裂解温区热声振荡主要发生在出口燃料温度达到700 ℃时，且化学反应与流动换热过程的耦合会进一步影响裂解区热声振荡的发生。