吸热型碳氢燃料高温裂解结焦量在线测量方法

The endothermic hydrocarbon fuel, as coolant in the vehicles, takes away a huge amount of heat due to its chemical cracking at high temperature. However, coke deposition forms on the inner surface of cooling structure at the same time, which makes the vehicle dangerous. Untill now there are no idea methods to measure the coke deposition in our country. Based on the regeneratively cooling technology, this project is going to develop new ways to measure the coke formation during pyrolysis of endothermic hydrocarbon fuel. When and how much coke produced are the key parameters of coking characteristics. Based on the fundamental principles of laminar fluid flow and conductivity heat transfer, the hydraulic and thermal effects of coke are investigated to establish the hydraulic resistance method and thermal resistance method to realize in-situ quantitative measurement of coke formation along the cooling passage. The two methods established are convenience and effective and practical, which will be used to measure the amount of coke deposition in single passage, or complex passages in cooling plate, even cooling structures in the scramjet. The project belongs to the leading edge between engineering thermophysics and chemistry, which have significant values on both industry application and scientific research.

作为冷却剂的吸热型碳氢燃料在高温下发生化学裂解吸收热量的同时，在小通道冷却结构内产生结焦，危害飞行器安全。如何进行表面结焦量测试，目前国内尚无理想的在线测量方法。本项目以新型飞行器再生主动冷却技术为背景，拟开展吸热型碳氢燃料高温裂解结焦在线测量方法实验研究。结焦何时产生，以及结焦量的多少，是评估结焦特性的重要参数。本项目基于层流流体力学，研究结焦与流阻之间的函数关系，建立流阻法，测试结焦在冷却通道内的当量厚度；基于传热学导热定律，研究结焦对传热的影响，建立热阻法，在线测试结焦层在通道内的分布趋势。流阻法和热阻法，可应用于单通道、平板结构甚至发动机冷却结构内的结焦量分析，测试方法简便、高效、实用，为研制抗结焦性能良好的碳氢燃料和燃料应用于发动机的整机测试奠定基础。本项目属于化学与工程热物理交叉学科的前沿基础研究，具有突出的工程应用和科学研究价值。

突破“热障”是吸气式高超声速飞行器成功飞行的关键。未经冷却超燃冲压发动机燃烧室壁面温度达到3000 K以上。采用自带燃料作为冷却剂的再生主动冷却是飞行器热防护的可行方案。再生冷却要求燃料温度达到 750 ℃以上，吸热型碳氢燃料高温裂解结焦，危害飞行器安全。.本项目开展了吸热型碳氢燃料高温裂解结焦在线测量方法实验研究。建立了流阻法，并对热阻法进行了细致地探索研究。流阻法基于层流流体力学泊肃叶定律，确定结焦与流阻之间的函数关系，在结焦实验前后，采用热物性（密度和粘度）已知的标准流体在常温常压下测量通道内的流动阻力变化，得到结焦层在通道内的当量厚度。热阻法基于传热学导热定律，研究结焦与传热的相互影响，通过测量结焦前后壁温的变化，得到结焦层在通道内的分布趋势。.研究表明吸热型碳氢燃料高温裂解结焦是燃料在边界层内的结焦动力学行为。碳氢燃料的热裂解结焦与边界层温度（壁面温度和燃料温度的平均值）密切相关。大量的结焦发生在边界层温度大于600 ℃，并且在约750 ℃达到最大值。进行 30 min 结焦试验，2 mm 内径通道内，结焦层厚度约 10-150 μm。结焦层表面粗糙度约 5-20μm。对于 2.0 mm 内径的冷却通道，相对粗糙度远小于 0.05。因此，泊肃叶定律适应于结焦管道内的摩擦阻力系数计算。研究表明在2 mm内径通道内，流阻法可以达到较高的精度。通过消除管道内径加工精度的影响，以及流体温度对阻力的影响，流阻法的不确定度小于5.0%。热阻法研究表明：结焦与换热之间存在对应关系，少量结焦强化换热，大量结焦会弱化换热。但强化与弱化之间的转折点结焦层厚度具有不确定性，因结焦形态，燃料种类而异。且强化换热和弱化换热的程度也同样受到以上因素影响。因此，热阻法的误差较大，不适应于结焦的定量分析。.本项目建立的流阻法直接在原来的实验系统上进行结焦测试，不需要专门的测焦装置，且不破坏结焦通道，不受冷却结构的限制，在国内吸热型碳氢燃料研制与筛选中得到广泛应用，具有工程应用和科学研究价值。