超临界压力下碳氢燃料的对流换热特性及湍流模型修正研究

The scramjet engine is the core components of hypersonic vehicle, application of endothermic hydrocarbon fuel cooling on the high temperature combustion chamber is a very promising scheme.This application is according to the actual demand of supersonic combustion ramjet engine thermal protection technology, in-depth study on the special laws of endothermic fuel properties under superitical pressure, the mechanism of buoyancy force on heat transfer and more accurate turbulence model.By means of theoretical derivation and experimental data combined, to explore a suitable supercritical pressure hydrocarbon fuel property model; and based on the property model, the numerical simulation mainly, supplemented by the necessary experimental verification, a detailed study of the inluence of the temperature, pressure, mass flux and heat flux will be conducted.The influence mechanism of buoyancy force, induced by the drastic variations of propertis near pesudo-critical point, will be focused on.Finally, the comprehensive effects of material thermal properties, buoyancy and other factors, to explore the turbulence model more suitable for the flow and heat transfer numerical study of supercritical hydrocarbon fuel.

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的核心动力部件，应用吸热型碳氢燃料对其高温燃烧室进行主动冷却是一种很有前景的可行方案。本申请针对超燃冲压发动机热防护技术研究的实际需求，深入研究超临界压力下吸热型碳氢燃料的特殊物性变化规律、浮升力对其流动和换热的影响机理、更适合变物性流动的湍流模型等关键基础科学问题。采用理论推导与实验数据相结合的方法，探索一种适合超临界压力下碳氢燃料的物性模型；并应用该物性模型，以数值模拟为主、辅以必要的实验验证，详细研究温度、压力、质量流量与热流密度等各种因素对超临界碳氢燃料流动和换热的影响规律；重点研究大热流密度下，由碳氢燃料在拟临界点附近的剧烈物性变化引起的浮升力对其流动和换热的影响机理；综合物性变化、浮升力等影响因素，通过理论推导修正项，在现有常用的湍流模型中引入修正项，对相应的工况进行数值模拟，发展更加适合超临界碳氢燃料流动换热数值研究的湍流模型。

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的核心动力部件，为解决高速飞行中面临的气动加热问题，采用主动再生冷却技术对超燃冲压发动机的高温部件进行冷却，为设计主动再生冷却方案，需深入研究超临界压力下碳氢燃料的流动换热特性。.本项目开展超临界碳氢燃料的物性计算方法研究，开发超临界碳氢燃料的物性计算程序，获得准确的物性计算方案；开展超临界碳氢燃料的流动换热实验研究，重点探索超临界燃料在直管道内的流动换热特性；发展针对超临界碳氢燃料流动和换热的专用数值模拟程序，系统地数值研究不同进口温度、进口压力、质量流量和热流密度条件下的流动换热特性，深入研究超临界压力下吸热型碳氢燃料的特殊物性变化规律、浮升力对其流动和换热的影响机理、更适合变物性流动的湍流模型等关键基础科学问题。采用理论推导与实验数据相结合的方法，发展更加适合超临界碳氢燃料流动换热数值研究的湍流模型。.获得与实验数据最吻合的超临界压力下碳氢燃料的热物性模型；基于上述物性模型，完成针对超临界碳氢燃料流动和换热的专用数值模拟程序开发；以数值研究为主，辅以必要的实验验证，揭示温度、压力、质量流量与热流密度等因素对超临界碳氢燃料流动和换热的影响规律；澄清在大热流密度下，由碳氢燃料在拟临界点附近的剧烈物性变化引起的浮升力对其流动和换热的影响机理；基于实验数据和专用数值程序，考核现有各湍流模型的模拟精度，寻求最优的修正基础湍流模型；通过理论推导，获得超临界状态下湍流模型的修正方法，并揭示超临界状态下的流场特征。.本项目的研究从超燃冲压发动机热防护技术研究的实际需求出发，提供相应的理论研究基础。